Термоядерные реакции

Мы уже знаем, что тяжёлые ядра из конца периодической системы элементов «склонны» к распаду — это так называемые реакции деления. В результате таких реакций выделяется большое количество энергии, которую люди научились использовать в своих целях.

Также график зависимости удельной энергии связи от числа частиц в ядре позволяет спрогнозировать ещё один вид энергетически выгодных реакций — реакций синтеза (то есть слияния) лёгких ядер. Например, изотопы наиболее лёгкого элемента водорода — дейтерий и тритий — имеют малую энергию связи. В случае объединения двух таких лёгких ядер образуется атомное ядро с большей энергией связи. Следовательно, такие реакции должны сопровождаться выделением энергии.

Как мы упоминали, частицы в атомном ядре удерживаются ядерными силами, которые действуют только на сверхмалых расстояниях. Что же необходимо, чтобы два ядра смогли объединиться в одно ядро более тяжёлого элемента?

Очевидно, что ядра нужно сблизить на столь малое расстояние, чтобы «в игру вступили» ядерные силы. Но этому сближению будут препятствовать силы электрического отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Поэтому для преодоления этих сил, ядра изотопов изначально должны обладать большой кинетической энергией. А большая кинетическая энергия теплового движения ядер означает, что вещество должно обладать высокой температурой.

Реакции слияния лёгких ядер, происходящие при очень высоких температурах (от десятков до сотен миллионов градусов), называются термоядерными.

Простейшим примером термоядерной реакции является преобразование двух ядер дейтерия в ядро гелия.

Если бы этот процесс удалось использовать для производства энергии, то он оказался бы в десять раз эффективнее процесса деления урана.

Возможность использования термоядерных реакций открывает перед человечеством новый путь получения энергии. Одной из самых перспективных в этом отношении является реакция синтеза дейтерия и трития, в результате которой образуется гелий и вылетает свободный нейтрон.

Давайте рассчитаем энергию, выделяющуюся при такой реакции синтеза.

Ещё одним преимуществом данной термоядерной реакции является и то, что по оценкам учёных запасы дейтерия в Мировом океане составляют порядка 80 000 км³. Из такого количества дейтерия можно получить столько энергии, сколько выделяется при сгорании бензина, объем которого многократно превышает объем Мирового океана, то есть запасы дейтерия практически неисчерпаемы. А тритий, не встречающийся в природе, легко можно получать в самом термоядерном реакторе, если использовать мощные потоки нейтронов.

Одной из основных проблем, возникающих при попытке осуществить управляемый термоядерный синтез — это удержания высокотемпературной дейтерий-тритиевой смеси. Эта смесь не должна касаться стенок установки, в которой она находится, иначе стенки просто испарятся. Ещё в середине двадцатого века российские учёные Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм предложили для удержания термоядерной смеси использовать магнитное поле особой конфигурации. Данная идея в последствии была реализована в установках типа «ТОКОМАК» — тороидальная камера с магнитными катушками. В этих установках с помощью магнитных полей и удерживается плазма из дейтерий-тритиевой смеси. А поскольку плазма — это почти полностью ионизированный газ, то она подвержена влиянию магнитных полей: плазма скручивается в шнур, не касается стенок камеры и, как следствие, не приносит ей никакого вреда.

В естественных условиях термоядерные реакции синтеза происходят в недрах звёзд и являются основным источником их энергии. Поэтому термоядерные реакции играют очень важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней. Так, например, на стадии зарождения звезды из газового водородного облака силы всемирного тяготения сжимают водород до такой степени, что в центре образовавшейся звезды температура возрастает до десятков миллионов градусов. В результате внутри звезды начинают протекать термоядерные реакции, и она в течение миллиардов лет светит, излучая энергию. А в недрах звезды «выпекаются» более тяжёлые химические элементы.

Вы наверняка знаете, что наша звезда излучает свет и тепло уже более 4,5 миллиардов лет. Конечно же долгое время учёные не могли найти ответ на главный вопрос о том, что является «топливом», за счёт которого Солнце вырабатывает столь огромное количество энергии в течении такого длительного промежутка времени.

Например, одни считали, что эта энергия выделяется в результате обычной химической реакции горения. Правда в этом случае Солнце должно было бы сгореть через несколько тысяч лет, после начала горения. Другие считали, что увеличение внутренней энергии и как следствие увеличение температуры Солнца, происходит из-за его гравитационного сжатия. При такой гипотезе срок «службы» Солнца увеличивался до нескольких миллионов лет, но никак не до миллиардов.

И лишь в 1938 году американским астрофизиком Хансом Альбрехтом Бете было высказано предположение о том, что энергию Солнце получает за счёт термоядерных реакций, происходящих в его недрах. Им же был открыт водородный (или протон-протонный) цикл — цепочка из трёх термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода.

Обратите внимание на то, что для образования двух ядер гелия-3, необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.

Что бы представить, какое огромное количество энергии Солнце теряет в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что ежесекундно масса нашего светила уменьшается на несколько миллионов тонн! И несмотря на это, по оценкам многих специалистов, запасов «топлива» на Солнце хватит ещё где-то на 5—6 миллиардов лет.

В заключении урока отметим, что на Земле первые термоядерные реакции были осуществлены в виде неуправляемого термоядерного взрыва. Первое в мире испытание термоядерного взрывного устройства было произведено в США 1 ноября 1952 года. А уже 12 августа 1953 года в СССР была взорвана первая в мире водородная бомба на полигоне в Семипалатинске — советская «РДС-6с». Температурные условия, необходимые для осуществления термоядерной реакции, были достигнуты путём взрыва ядерного заряда.

В 2005 году общественности был представлен международный проект экспериментального термоядерного реактор ИТЭР для осуществления управляемой термоядерной реакции.

Его планируется возвести в исследовательском центре Кадараш на юге Франции. Стройку изначально планировалось закончить в 2016 году, однако, по мере строительства, срок начала экспериментов сдвинулся к 2025 году.