Физическая энциклопедия - термоядерные реакции

ядерные реакции между лёгкими ат. ядрами, протекающие при очень высоких темп-рах (=108К и выше). Высокие темп-ры, т. е. достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатич. барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряж. ч-ц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия яд.

сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при Т. р. Поэтому Т. р. в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть в-во либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком ч-ц.

Табл. 1. Т. р., как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением в продуктах реакции избыточной кинетич. энергии, равной увеличению суммарной энергии связи (см. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ). При этом сам механизм этого экзоэнергетич. сдвига к ср. части периодич. системы элементов Менделеева здесь противоположен тому, к-рый имеет место при делении тяжёлых ядер: почти все практически важные Т.

р.это реакции слияния (синтеза) лёгких ядер в более тяжёлые. Имеются и исключения: благодаря особой прочности ядра 4Не (a-частица) возможны экзоэнергетич. реакции деления лёгких ядер (по меньшей мере одна из них, «чистая» реакция 11В+р В® 34Не+8,7 МэВ, по-видимому, также может представить практический интерес). Большое энерговыделение в ряде Т.

р. обусловливает их важность для астрофизики, прикладной яд. физики и яд. энергетики. Чрезвычайно интересна также роль Т. р. в дозвёздных и звёздных процессах синтеза ат. ядер хим. элементов (нуклеогенеза). Скорости Т. р. В табл. 1 для ряда Т. р. приведены значения энерговыделения, максимального сечения sмакс осн. величины, характеризующей вероятность Т.

МАКСВЕЛЛА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ)). Температурная зависимость скорости Т. р. определяется множителем . В практически важном случае «не очень высоких» темп-р Т?(107-108)К она может быть приближённо выражена в виде, одинаковом для всех Т. р. В этом случае относит. энергии ? сталкивающихся ядер, как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера, к-рая даже для комбинации ядер с наименьшим ат.

Этот результат можно получить двумя путями (нем. физик X. Бете и др., 1938-39): 1) в протон-протонной, (рр) цепочке, или водородном цикле (табл. 2); 2) в углеродно-азотном (CN), или углеродном, цикле (табл. 3). Табл. 2. ВОДОРОДНЫЙ ЦИКЛ Первые три реакции входят в полный цикл дважды. Времена реакций рассчитаны для условий в центре Солнца: Т= 13 млн. К (по др.

В начале 70-х гг. всеобщая уверенность в термояд. механизме генерации солн. энергии была временно поколеблена тем фактом, что непосредственно измеренный поток солн. нейтрино, достигающий Земли, оказался значительно меньше теоретически ожидаемого для рр-цикла. Однако последующие измерения снизили это расхождение до множителя =3, что в совокупности с неточностью как измерений, так и теор.

модели Солнца (в частности, темп-ры в его центре) в осн. рассеяло возникшие сомнения. Водородный цикл разветвляется на три варианта. При достаточно больших концентрациях 4Не и T>(1015) млн. К в полном энерговыделении начинает преобладать вторая ветвь рр-цикла, отличающаяся от приведённой в табл. 2 заменой реакции 3Не+3Не на цепочку: 3Не+4Не В®7Ве+g, 7Ве+е-В® 7Li +g, p+7Li В® 24He, а при ещё более высоких Т.

третья ветвь: 3Не+4Не В®7Ве+g, р+7ВеВ®8В+g, 8ВВ®8Be+e++n, 8BeВ®24He. Для звёзд-гигантов с плотными выгоревшими (по содержанию Н) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы Т. р.; они протекают при значительно более высоких темп-рах и плотностях, чем рри CN-циклы. Осн. реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с Т»200 млн. К, является т. н. процесс Солпитера: 34Не В®12C+g1+g2+7,3 МэВ (процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро 8Ве).

Далее могут следовать реакции 12С+4Не В® 16О+g, 16O+4Не В® 20Ne+g; в этом состоит один из механизмов нуклеогенеза. Интересно, что сама возможность процесса Солпитера, а тем самым и нуклеогенеза большинства элементов (предпосылка возникновения всех форм жизни!) связана с таким случайным обстоятельством, как большая «острота» резонанса в зависимости s(v) для яд.

реакции 34НеВ®12С, обеспечиваемая наличием подходящего дискр. уровня энергии у ядра 8Ве. Если продукты реакций гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществится неоновый (Ne-Na) цикл, в к-ром ядро 20Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу (табл. 3), только ядра 12С, 13N, 13C, 14N, 15O, 16N заменяются соотв.

Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами b-распада, явл. механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер. Ср. интенсивность энерговыделения e в типичных звёздных Т. р. по земным масштабам ничтожна; так, для Солнца (в ср. на 1 г солн. массы) e=2 эрг/с•г. Это гораздо меньше, напр., скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена в-в.

Однако вследствие огромной массы Солнца (2•1033 г) полная излучаемая им мощность (4•1026 Вт) чрезвычайно велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца приблизительно на 4 млн. т). Благодаря колоссальным размерам и массам Солнца и звёзд в них идеально решается проблема удержания (в данном случае гравитационного) и термоизоляции плазмы: Т.

2 и 3). В земных условиях эти процессы практически неосуществимы; напр., фундам. реакция p+pВ®d+e+ +n непосредственно вообще не наблюдалась. Т. р. в земных условиях. На Земле имеет смысл использовать лишь наиболее эффективные из Т. р., прежде всего связанные с участием дейтерия и трития. Подобные Т. р. в сравнительно крупных масштабах осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных, или водородных, бомб.

Вероятная схема реакций в термояд. бомбе включает Т. р. 12, 7, 4 и 5 (табл. 1), но возможны и другие Т. р., напр. 16, 14, 3. Использованием Т. р. в мирных целях может явиться управляемый термоядерный синтез (УТС), с к-рым связывают надежды на решение энергетич, проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешёвого горючего для управляемых Т.

р. Для УТС наиболее важны Т. р. 7, 5 и 4 (а также 12 для регенерации дорогостоящего трития). Независимо от целей непосредств. получения энергии термоядерный реактор может быть использован в кач-ве мощного источника быстрых нейтронов. Последние могут быть использованы, в частности, в энергетич. целях в последующих реакциях деления тяжёлых ядер (см.