73. Реакції термоядерного синтезу. Протонно-протонний та вуглецево-азотний цикли. Токамак. Метод лазерного термоядерного синтезу

Аналіз залежності питомої енергії зв’язку нуклонів у ядрі від його масового числа показує, що можна діставати енергію шляхом злиття (синтезу) ядер з масовим числом А ≤ 50 із легших ядер.

­ 4,1 МеВ (1)

­ 3,3 МеВ (2)

­ 17,6 МеВ (3)

Якщо тепловий ефект від поділу 1кг урану становить 8,24?10¹³Дж, то для 1кг суміші і (третя реакція) цей ефект »3,3?10¹⁴Дж, тобто в 4 рази більше реакції поділу. Незважаючи на те, що в звичайній воді вміст важкого водню становить »0,015%, за тепловим ефектом 1л звичайної води в енергетичному відношенні еквівалентний 300л бензину.

Але за звичайних умов реакція синтезу не відбувається, бо атомні ядра мають позитивні заряди і зазнають досить сильного кулонівського відштовхування. Висоту кулонівського бар’єру для ядер дейтрона оцінимо за виразом

, де R – відстань між дейтронами.

Якщо R » 4?10^-15, то дістанемо, що Е_к » 300кеВ. Для подолання потенціального бар’єру ядра повинні мати значну кінетичну енергію, тобто суміш реагентів повинна нагрітись до високої температури.

1 еВ ~ 11600° К, тому для протікання реакції синтезу, при потенціальному бар’єрі Е_к » 0,3МеВ потрібна температура порядку 10⁹К.

Насправді внаслідок тунельного ефекту і якщо розподіл дейтронів за енергіями підлягає закону Максвелла, ця температура повинна бути ~10⁸К. Саме тому ці реакції наз. термоядерними.

Згідно з сучасними уявленнями термоядерні реакції є джерелом енергії Сонця і зірок.

Можливі два цикли термоядерних реакцій.

1. Водневий або протонно-протонний цикл

2. Вуглецевий або вуглецево-азотний

Внаслідок випромінювання маса Сонця зменшується щосекунди на 4,3 млн.т, тобто приблизно на 2?10^-19%.

У земних умовах реакція термоядерного синтезу здійснюється у вигляді вибуху водневої бомби.

При температурах > 10000°К речовина становить повністю іонізовану плазму. Тому на шляху здійснення керованої термоядерної реакції стоять значні труднощі. Крім одержання надзвичайно високої температури, виникає проблема утримання плазми у заданому об’ємі.

Дотикання плазми до стінок посудини приведе до її охолодження. Крім того, стінка з будь-якої речовини при такій температурі миттєво випарується.

Радянські фізики Сахаров і Тамм запропонували утримувати плазму у заданому об’ємі за допомогою магнітного поля.

Високу температуру у плазмі одержують, пропускаючи крізь неї дуже сильний електричний струм. Магнітне поле цього струму стискає розрядний канал, відриваючи плазмовий шнур від стінок посудини . Щоб запобігти необхідності утримати плазму від дотикання з кінцями розрядної трубки, замість прямої розрядної трубки застосовують трубку у вигляді тороїду.

Але плазмовий шнур виявився дуже нестійким і поки що вдається утримати плазму протягом дуже короткого часу, при цьому досягнуті температури ~10⁷К.

Токама?к — тороїдальна установка для магнітного утримання плазми. Пристрій призначений для здійснення реакції термоядерного синтезу в високотемпературній плазмі в квазістаціонарному режимі, при цьому плазма утворюється в тороїдальній камері і її стабілізує магнітне поле. Енергія, що виділяється під час цієї реакції, повинна перевищити енергію, що витрачається для формування плазми і запуску реакції.

Останніми роками розробляється метод лазерного термоядерного синтезу, запропонований М.Г.Басовим. Кульку радіусом ~1мм, до складу якої входить дейтерій, опромінюють з усіх боків потужним лазерним імпульсом, внаслідок чого поверхневий шар кульки дуже розігрівається і випаровується. Потік частинок, що вилітають з великою швидкістю з поверхні кульки відповідно до закону збереження імпульсу, що приводить до значного стискання її і зростання температури.

Проводяться також теор. і експериментальні дослідження можливостей холодного ядерного синтезу.