Материал: Пустынский Л.Н. Конспект лекций по Ядерной физике

Такая большая величина энергии реакции (4.6.21) объясняется большой удельной энергией связи образующегося ядра 4Не. Эта реакция при наименьшей высоте кулоновского барьера для заряженных частиц имеет наибольший выход.

Сечения верхнего канала реакции (4.6.20) и сечение реакции (4.6.21) показаны на рисунках 4.6.3 и 4.6.4. Из рисунков видно, что

Рис. 4.6.3. Рис. 4.6.4.

полное сечение реакции (4.6.20) достигает максимума в 100 мбарн при энергии 2 МэВ. Особенно велико сечение взаимодействия дейтона с тритоном (ядром трития), оно равно 5 барн при энергии дейтона всего 0,11 MэB.

Реакции (d, p) и (d, n) могут идти без образования составного ядра. Это обусловлено тем, что энергия связи дейтона составляет Wd

≈ 2,2 МэВ, т.е. около 1 МэВ/нуклон, что много меньше 8 МэВ/нуклон

– средней энергии связи нуклона в большинстве ядер. Поэтому среднее расстояние между протоном и нейтроном в ядре дейтона относительно велико и составляет ~ 4·10-13 см. Для сравнения среднее расстояние между нуклонами в большинстве ядер не превышает

2·10-13 см (см. (2.2.3)).

Взаимодействие дейтона с ядром может закончиться поглощением одного из нуклонов, тогда как второй останется за пределами яд-

166

ра и продолжит свое движение преимущественно в направлении первоначального движения. При этом тяжелые ядра, у которых большой кулоновский барьер, будут захватывать преимущественно нейтроны, так как в результате электростатического отталкивания дейтон будет ориентироваться своим протоном от ядра. В результате на средних и тяжелых ядрах выход реакции (d, p) в несколько раз превышает выход реакции (d, n), что противоречит механизму составного ядра. При распаде составного ядра испускание протона всегда затруднено кулоновским барьером и предпочтительным является, наоборот, вылет нейтрона.

§4.7. Термоядерный синтез

Термоядерным синезом называются ядерные реакции слияния легчайших ядер при очень высоких температурах среды. Высокие температуры необходимы для сообщения ядрам, участвующих в реакции, кинетической энергии для преодоления кулоновского барьера и сближения ядер до расстояний, когда начинается ядерное взаимодействие. Легчайшим ядрам не только проще преодолевать кулоновский барьер, но и энергетически выгодно сливаться друг с другом в более тяжелые ядра с выделением энергии. Это следует из анализа кривой удельной связи, приведенной на рис. 1.4.2. Такой процесс слияния ядер, имеющих малую удельную энергию связи, в более тяжелые и сильно связанные ядра, носит названия реакций синтеза.

По современным представлениям термоядерные реакции протекают в недрах звезд и Солнца, в результате чего из протонов получаются ядра гелия. Этот процесс может иметь несколько различных промежуточных стадий, но конечный результат один - четыре протона превращаются в ядро гелия:

В процессе этого превращения выделяется 26,7 МэВ энергии, примерно от 2 до 3 % которой уносится нейтрино. Из-за чрезвычайно малого сечения этого процесса его практически невозможно осуществить в земных условиях.

На Земле термоядерные реакции в относительно крупных масштабах удалось осуществить только в испытательных взрывах термоядерных, или «водородных» бомб. Вероятная схема реакций синтеза в водородной бомбе включает реакции (4.6.20), (4.6.21), а также реакцию

которая служит для получения трития. В центре водородной бомбы имеется ядерная бомба деления, которая окружена оболочкой из комбинированного термоядерного горючего, чаще всего из твердого химического соединения, молекулы которого состоят из атомов дейтерия и атомов 6Li. Бомба деления служит запалом и во время ее взрыва создается высокая температура примерно 107 К и возникают мощные нейтронные потоки. Далее процесс носит цепной характер, нейтроны вызывают реакцию (4.7.2), нагретые до высоких температур ядра дейтерия и трития вступают в реакцию, в результате которой выделяется энергия и образуются нейтроны и т.д. Цепной процесс прекращается тогда, когда термоядерное горючее разлетается на расстояния, при которых концентрация ядер горючего становится недостаточной для протекания цепного термоядерного процесса.

Осуществление в земных условиях управляемого термоядерного синтеза (УТС) должно полностью решить проблему снабжения человечества энергией, по крайней мере, на необозримое будущее. Существующие запасы дейтерия в водах морей и океанов в виде примеси тяжелой воды D2O к обыкновенной воде Н2О (концентрация ядер дейтерия составляет 0,015 %) являются практически неисчерпаемым источником термоядерного топлива. Например, количе-

168

ство дейтерия в стакане воды, несмотря на столь малую концентрацию, энергетически эквивалентно ~ 60 кг бензина.

Однако интенсивные работы, ведущиеся для реализации УТС в течение последних 50 лет, только продемонстрировали исключительную сложность этой проблемы. Реакции УТС должны протекать в установках ограниченного объема, при нагреве смеси реагирующих ядер до температур ~ 108 ÷ 109 К. При таких температурах вещество переходит в четвертое агрегатное состояние, называемое плазмой1. Горячая плазма, находящаяся в замкнутом объеме, расширяясь, неизбежно вступит в контакт со стенками сосуда и, передав им тепло, остынет, возможно, даже расплавив их. Поэтому горячая плазма может существовать только ограниченное время и основная проблема УТС заключается в увеличении времени τ удержания плазмы в нагретом до термоядерных температур состоянии. Превышение выделения энергии в результате термоядерной реакции над затратами энергии для нагревания плазмы до термоядерных температур определяется т.н. критерием Лоусона:

n >1014 (для d-t реакции, Т = 109 К);

(4.7.3)

n >1016 (для d-d реакции, Т = 108 К);

где n [см-3] – концентрация ядер плазмы, [c] – время удержания. Согласно (4.7.3) обеспечить положительный энергетический вы-

ход установки для УТС можно двумя путями: 1) длительное (τ ≥ 0,1 с) удержание нагретой до необходимой температуры плазмы с концентрацией n ≥ 1015 см-3 в заданном объеме; 2) сверхбыстрое (~10-9 с) нагревание малых объемов твердого термоядерного топлива.

1 Плазмой называют газ, в котором 5 ÷ 10 % атомов или молекул находятся в ионизованном состоянии. С ростом температуры до ~ 107К газ становится полностью ионизованным и состоит из ядер и электронов.

169

Первое направление к сегодняшнему дню наиболее исследовано и развито. Плазму предполагается изолировать от контакта со стенками с помощью магнитного поля. Устройства такого рода получили название магнитных ловушек. На рис. 4.7.1 показана схема тороидальной магнитной ловушки типа токамак (аббревиатура от слов «тороидальная камера, магнитная катушка»). Принцип действия токамака можно понять из рисунка. При разряде конденсаторной бата-

собственным магнитным полем В0 тока I образует магнитное поле с винтообразными силовыми линиями. Это магнитное поле и должно обеспечить изоляцию плазмы от стенок камеры. Однако такая простая схема удержания плазмы оказалась далекой от совершенства и на пути к решению УТС возникла очень серьезная проблема – неустойчивость плазмы, в результате которой плазменный шнур касается стенок камеры и разрушается. Все ведущиеся в настоящее время работы по реализации УТС с помощью устройства токамак так

170