Условия протекания термоядерных реакций

Для слияния легких ядер необходимо преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием протонов в одноименно положительно заряженных ядрах. Для слияния ядер водорода ₁²D их надо сблизить на расстояние r, равное приблизительно r ≈ 3•10^-15 м. Для этого нужно совершить работу, равную электростатической потенциальной энергии отталкивания П=е²: (4πε₀r) ≈ 0,1 МэВ. Ядра дейтона смогут преодолеть такой барьер, если при соударении их средняя кинетическая энергия ³/₂ kT будет равна 0,1 МэВ. Это возможно при Т=2•10⁹ К. Практически температура, необходимая для протекания термоядерных реакций снижается на два порядка и составляет 10⁷ К.

Температура порядка 10⁷ К характерна для центральной части Солнца. Спектральный анализ показал, что в веществе Солнца, как и многих других звезд, имеется до 80% водорода и около 20% гелия. Углерод, азот и кислород составляют не более 1% массы звезд. При огромной массе Солнца (≈ 2•10²⁷кг) количество этих газов достаточно велико.

Термоядерные реакции происходят на Солнце и звездах и являются источником энергии, обеспечивающим их излучение. Ежесекундно Солнце излучает энергию3,8•10²⁶Дж, что соответствует уменьшению его массы на 4,3 млн. тонн. Удельное выделение энергии Солнца, т.е. выделение энергии, приходящееся на единицу массы Солнца в одну секунду, равно 1,9•10^-4Дж/с•кг. Оно весьма мало и составляет около 10^-3 % от удельного выделения энергии в живом организме в процессе обмена веществ. Мощность излучения Солнца практически не изменилась за много миллиардов лет существования Солнечной системы.

Один из путей протекания термоядерных реакций на Солнце – углеродно-азотный цикл, в котором соединение ядер водорода в ядро гелия облегчается в присутствии ядер углерода ₆¹²С играющих роль катализаторов. В начале цикла быстрый протон проникает в ядро атома углерода ₆¹²С и образует неустойчивое ядро изотопа азота ₇¹³N с излучением γ-кванта:

₆¹²С + ₁¹p→ ₇¹³N + γ.

С периодом полураспада 14 минут в ядре ₇¹³N происходит превращение ₁¹p→₀¹n + ₊₁⁰е + ₀⁰ν_е и образуется ядро изотопа ₆¹³С:

₇¹³N→₆¹³С + ₊₁⁰е + ₀⁰ν_е.

приблизительно через каждые 32 млн. лет ядро ₇¹⁴N захватывает протон и превращается в ядро кислорода ₈¹⁵О:

₇¹⁴N+ ₁¹p→₈¹⁵О + γ.

Неустойчивое ядро ₈¹⁵О с периодом полураспада 3 минуты испускает позитрон и нейтрино и превращается в ядро ₇¹⁵N:

₈¹⁵О→₇¹⁵N+ ₊₁⁰е+ ₀⁰ν_е.

Цикл завершается реакцией поглощения ядром ₇¹⁵N протона с распадом его на ядро углерода ₆¹²С и α-частицу. Это происходит приблизительно через 100 тысяч лет:

₇¹⁵N+ ₁¹p→ ₆¹²С + ₂⁴Не.

Новый цикл начинается вновь с поглощением углеродом ₆¹²С протона, исходящего в среднем через 13 миллионов лет. Отдельные реакции цикла отдалены во времени промежутками, которые являются по земным масштабам времени непомерно большими. Однако цикл является замкнутым и происходит непрерывно. Поэтому различные реакции цикла происходят на Солнце одновременно, начавшись в разные моменты времени.

В результате этого цикла четыре протона сливаются в ядро гелия с появлением двух позитронов и γ-излучения. К этому нужно добавить излучение, возникающее при слиянии позитронов с электронами плазмы. При образовании одного гамматома гелия выделяется 700 тысяч кВт•ч энергии. Это количество энергии компенсирует потери энергии Солнца на излучение. Расчеты показывают, что количества водорода, имеющегося на Солнце, хватит на поддержание термоядерных реакций и излучения Солнца на миллиарды лет.

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях создаст огромные возможности для получения энергии. Например, при использовании дейтерия, содержащегося в одном литре воды, в реакции термоядерного синтеза выделится столько же энергии, сколько выделится при сгорании примерно 350 литров бензина. Но если термоядерная реакция будет протекать самопроизвольно, то произойдет колоссальный взрыв, так как выделяющаяся при этом энергия очень велика.

Условия, близкие к тем, что реализуются в недрах Солнца, были осуществлены в водородной бомбе. Там происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера. Взрывчатым веществом является смесь дейтерия ₁²D с тритием ₁³Т. Высокая температура, необходимая для протекания реакции, получается за счет взрыва обычной атомной бомбы, помещенной внутри термоядерной.