Ядерные реакции синтеза

Термоядерная реакция (ядерная реакция синтеза) — разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые. Для того чтобы осуществилась такая реакция, исходным ядрам нужно преодолеть силу электростатического отталкивания. Для этого они должны обладать большой кинетической энергией. Поскольку кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то для начала реакции синтеза требуется высокая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной».

Термоядерная реакция — основной тип процессов, в которых ядрам, испытывающим взаимное кулоновское отталкивание, удаётся, преодолев электростатический барьер, сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и, провалившись в образуемую ими глубокую потенциальную яму, совершить ту или иную экзоэиергетическую (т. е. сопровождающуюся выделением энергии) ядерную перестройку. Под «выделением энергии» подразумевается выделение в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. Таким образом, относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в средней части периодической системы элементов, то типичным механизмом экзоэнергетической реакции является слияние легчайших ядер в более тяжёлые.

Как известно, удельная энергия связи резко увеличивается при переходе от дейтерия ¹²Н (1,1 МэВ) и трития *зН (2,8 МэВ) к литию з1л (5,з МэВ) и гелию зНе (7,1 МэВ). Поэтому можно ожидать, что соединение лёгких ядер в более тяжёлые сопровождается выделением большого количества энергии. Например, при реакциях.

выделяется соответственно 4,0; 3,3; 17,6 и 22,4 МэВ.

Энерговыделение в реакции (боб), рассчитанное на один нуклон (q=17,6/5=3,5 МэВ), значительно превосходит энерговыделение в процессах деления тяжёлых ядер ((7=200/238=0,85 МэВ). В этом процессе существенную роль играет кулоновский барьер, который препятствует ядерному взаимодействию даже при Q>о, если кинетическая энергия бомбардирующей частицы недостаточно велика. У лёгких ядер кулоновский барьер невысок, но для эффективного протекания реакций даже с лёгкими ядрами нужны дейтроны с энергией выше 0,1 МэВ.

Чтобы реакция была самоподдерживающейся, дейтроны с такой энергией должны возникать в процессе самой реакции, подобно тому, как в реакции деления возникают нейтроны деления, вызывающие новые акты деления. Разница заключается в том, что в реакции синтеза с самого начала процесса можно иметь достаточное количество дейтронов, но их энергия низка. Идея получения быстрых дейтронов в процессе реакции синтеза заключается в использовании высокой температуры, которая должна развиваться в этом процессе.

Для получения средней энергии 0,1 МэВ требуется нагревание до температуры ю* градусов, что в 50 раз превосходит температуру Солнца. При столь высоких температурах вещество находится в состоянии плазмы, которая представляет собой смесь полностью ионизованных атомов и свободных электронов. Столь высокие температуры в лабораторных условиях пока не достигнуты. Ещё труднее получить управляемый цепной процесс синтеза. Трудности связаны с тем, что для получения достаточно большого энергетического выигрыша надо нагреть до очень высокой температуры концентрированную плазму и затем поддерживать её в таком состоянии в течение длительного времени внутри заданного объёма.

Управляемый термоядерный синтез — процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях.

Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера.