Термоядерная реакция

 Определение термоядерной реакции и её примеры

Тер­мо­ядер­ны­ми ре­ак­ци­я­ми (или про­сто тер­мо­ядом) на­зы­ва­ют ре­ак­ции сли­я­ния лег­ких ядер в одно целое новое ядро, в ре­зуль­та­те ко­то­ро­го вы­де­ля­ет­ся боль­шое ко­ли­че­ство энер­гии. Ока­зы­ва­ет­ся, боль­шая энер­гия вы­де­ля­ет­ся не толь­ко в ре­зуль­та­те де­ле­ния тя­же­лых ядер, еще боль­ше энер­гии вы­де­ля­ет­ся, когда лег­кие ядра сли­ва­ют­ся вме­сте, со­еди­ня­ют­ся. Этот про­цесс на­зы­ва­ют син­те­зом. А сами ре­ак­ции – тер­мо­ядер­ным син­те­зом, тер­мо­ядер­ны­ми ре­ак­ци­я­ми.

Какие же эле­мен­ты участ­ву­ют в этих ре­ак­ци­ях? Это в первую оче­редь изо­то­пы во­до­ро­да и изо­то­пы гелия. Для при­ме­ра можно при­ве­сти сле­ду­ю­щую ре­ак­цию:

Два изо­то­па во­до­ро­да (дей­те­рий и три­тий), со­еди­ня­ясь вме­сте, дают ядро гелия, еще об­ра­зу­ет­ся ней­трон. Когда про­те­ка­ет такая ре­ак­ция, вы­де­ля­ет­ся огром­ная энер­гия Е = 17,6 МэВ.

Не за­бы­вай­те, что это всего лишь на одну ре­ак­цию. И еще одна ре­ак­ция. Два ядра дей­те­рия, сли­ва­ясь вме­сте, об­ра­зу­ют ядро гелия:

В этом слу­чае вы­де­ля­ет­ся тоже боль­шое ко­ли­че­ство.

 Условия протекания термоядерной реакции

Об­ра­щаю ваше вни­ма­ние: чтобы такие ре­ак­ции про­те­ка­ли, нужны опре­де­лен­ные усло­вия. В первую оче­редь нужно сбли­зить ядра ука­зан­ных изо­то­пов. Ядра имеют по­ло­жи­тель­ный заряд, в дан­ном слу­чае дей­ству­ют ку­ло­нов­ские силы, ко­то­рые рас­тал­ки­ва­ют эти за­ря­ды. Зна­чит, нужно пре­одо­леть эти ку­ло­нов­ские силы, чтобы при­бли­зить одно ядро к дру­го­му. Это воз­мож­но толь­ко в том слу­чае, если сами ядра об­ла­да­ют боль­шой ки­не­ти­че­ской энер­ги­ей, когда ско­рость у этих ядер до­воль­но ве­ли­ка. Чтобы до­бить­ся этого, нужно со­здать такие усло­вия, когда ядра изо­то­пов будут об­ла­дать этой ско­ро­стью, а это воз­мож­но толь­ко при очень вы­со­ких тем­пе­ра­ту­рах. Толь­ко так мы смо­жем разо­гнать изо­то­пы до ско­ро­стей, ко­то­рые поз­во­лят им сбли­зить­ся на рас­сто­я­ние при­бли­зи­тель­но 10^{-14 м}.

Рис. 1. Рас­сто­я­ние, на ко­то­рое нужно сбли­зить ядра для на­ступ­ле­ния тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции 

Это рас­сто­я­ние как раз то, с ко­то­ро­го на­чи­на­ют дей­ство­вать ядер­ные силы. Зна­че­ние необ­хо­ди­мой тем­пе­ра­ту­ры со­став­ля­ет по­ряд­ка t° = 10⁷ – 10⁸°C. До­стиг­нуть такой тем­пе­ра­ту­ры можно, когда про­из­ве­ден ядер­ный взрыв. Таким об­ра­зом, чтобы про­из­ве­сти тер­мо­ядер­ную ре­ак­цию, мы сна­ча­ла долж­ны про­из­ве­сти ре­ак­цию де­ле­ния тя­же­лых ядер. Имен­но в этом слу­чае мы до­бьем­ся вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ры, а уже потом дан­ная тем­пе­ра­ту­ра даст воз­мож­ность сбли­зить ядра изо­то­пов до рас­сто­я­ния, когда они могут со­еди­нить­ся. Как вы по­ни­ма­е­те, имен­но в этом за­ло­жен прин­цип так на­зы­ва­е­мой во­до­род­ной бомбы.

Рис. 2. Взрыв во­до­род­ной бомбы 

 Применение термоядерного синтеза

Нас, как мир­ных людей, ин­те­ре­су­ет в первую оче­редь ис­поль­зо­ва­ние тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции в мир­ных целях для со­зда­ния тех же самых элек­тро­стан­ций, но уже но­вей­ше­го типа.

 Управляемый термоядерный синтез

В на­сто­я­щее время ве­дут­ся раз­ра­бот­ки по тому, как со­здать управ­ля­е­мый тер­мо­ядер­ный син­тез. Для этого ис­поль­зу­ют­ся раз­лич­ные ме­то­ды, один из них: ис­поль­зо­ва­ние ла­зе­ров для по­лу­че­ния вы­со­ких энер­гий и тем­пе­ра­тур. С по­мо­щью ла­зе­ров их раз­го­ня­ют до вы­со­ких ско­ро­стей, и в этом слу­чае может про­те­кать тер­мо­ядер­ная ре­ак­ция.

В ре­зуль­та­те тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции вы­де­ля­ет­ся огром­ное ко­ли­че­ство тепла, то место в ре­ак­то­ре, в ко­то­ром будут на­хо­дить­ся вза­и­мо­дей­ству­ю­щие друг с дру­гом изо­то­пы, нужно хо­ро­шо изо­ли­ро­вать, чтобы ве­ще­ство, ко­то­рое будет на­хо­дить­ся при вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ре, не вза­и­мо­дей­ство­ва­ло с окру­жа­ю­щей сре­дой, со стен­ка­ми того объ­ек­та, где оно на­хо­дит­ся. Для такой изо­ля­ции ис­поль­зу­ет­ся маг­нит­ное поле. При вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ре ядра, элек­тро­ны, ко­то­рые на­хо­дят­ся вме­сте, пред­став­ля­ют собой новый вид ма­те­рии – плаз­му. Плаз­ма – это ча­стич­но или пол­но­стью иони­зи­ро­ван­ный газ, а раз газ иони­зи­ро­ван, то он чув­стви­те­лен к маг­нит­но­му полю. Плаз­ма – элек­тро­про­во­дя­щая, при по­мо­щи маг­нит­ных полей можно при­да­вать ей опре­де­лен­ную форму и удер­жи­вать в опре­де­лен­ном объ­е­ме. Тем не менее, тех­ни­че­ское ре­ше­ние управ­ле­ния тер­мо­ядер­ной ре­ак­ци­ей оста­ет­ся пока нераз­ре­шен­ным.

Рис. 3. ТО­КА­МАК – то­ро­и­даль­ная уста­нов­ка для маг­нит­но­го удер­жа­ния плаз­мы 

 Термоядерные реакции во вселенной

В за­клю­че­ние хо­те­лось бы еще от­ме­тить: тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции иг­ра­ют важ­ную роль в эво­лю­ции нашей все­лен­ной. В первую оче­редь от­ме­тим, что тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции про­те­ка­ют на Солн­це. Можно ска­зать, что имен­но энер­гия тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций – это та энер­гия, ко­то­рая сфор­ми­ро­ва­ла ны­неш­ний облик нашей все­лен­ной.