Термоядерні реакції
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Термоядерні реакції

Термоядерні реакції, ядерні реакції між легкими атомними ядрами, що протікають при дуже високих температурах (порядку 10 7 До і вище). Високі температури, тобто чималі відносні енергії ядер, що стикаються, необхідні для подолання електростатичного бар'єру, обумовленого взаємним відштовхуванням ядер (як однойменно заряджених часток). Без цього неможливе зближення ядер на відстань порядку радіусу дії ядерних сил, а отже, і «перебудова» ядер, р., що відбувається при Т., Тому Т. р. в природних умовах протікають лише в надрах зірок, а для їх здійснення на Землі необхідно сильно розігріти речовину ядерним вибухом, потужним газовим розрядом, гігантським імпульсом лазерного випромінювання або бомбардуванням інтенсивним пучком часток.

загрузка...

  Т. р., як правило, є процеси утворення сильно зв'язаних ядер з більш рихлих і тому супроводяться виділенням енергії (точніше, виділенням в продуктах реакції надлишкової кінетичної енергії, рівної збільшенню енергії зв'язку). При цьому сам механізм цього «екзоенергетичного» зрушення до середньої частини періодичної системи елементів Менделєєва тут протилежний до того, який має місце при діленні важких ядер: майже все практично цікаві Т. р. — це реакції злиття (синтезу) легких ядер у важчі. Є, проте, виключення: завдяки особливій міцності ядра 4 He (а-частка) можливі екзоенергетичні реакції ділення легких ядер (одна з них, «чиста» реакція 11 B + р ® 3 4 Не + 8,6 Мев, залучила до себе інтерес в найостанніший час).

Велике енерговиділення у ряді Т. р. обумовлює важливість їх вивчення для астрофізики, а також для прикладної ядерної фізики і ядерної енергетики. Крім того, надзвичайно цікава роль Т. р. в дозвездних і зоряних процесах синтезу атомних ядер хімічних елементів (нуклеогенеза).

  Швидкості Т. р. В таблиці. 1 для ряду Т. р. приведені значення енерговиділення, основної величини, що характеризує вірогідність Т. р., — її максимального ефективного поперечного переріза ( s макс , і відповідній енергії налітаючої (у формулі реакції — першою зліва) частки.

  Головна причина дуже великого розкиду перетинів Т. р. — різка відмінність вірогідності власне ядерних («послебарьерних») перетворень. Так, для більшості реакцій, що супроводяться освітою найбільш сильно зв'язаного ядра 4 He, перетин великий, тоді як для реакцій, обумовлених слабкою взаємодією (наприклад, р + р ®  D + е + + n), воно вельми мале.

  Т. р. відбуваються в результаті парних зіткнень між ядрами, тому число їх в одиниці об'єму в одиницю часу рівне n 1 n 2 < vs(v) >, де n 1 , n 2 концентрації ядер 1-го і 2-го сортів (якщо ядра одного сорту, то n 1 n 2 слід замінити на n 2 ), v — відносна швидкість ядер, що стикаються, кутові дужки означають усереднювання за швидкостями ядер v [розподіл яких надалі приймається максвелловським (див. Максвелла розподіл )] .

  Температурна залежність швидкості Т. р. визначається множником < vs(v) > . В практично важливому випадку «не дуже високих» температур T < (10 7 ¸10 8 ) До вона може бути приблизно виражена у вигляді, однаковому для всіх Т. р. В цьому випадку відносні енергії Е ядер, що стикаються, як правило, значно нижче за висоту кулонівського бар'єру (остання навіть для комбінації ядер з найменшим зарядом z = 1 складає ~ 200 Кев, що відповідає, по співвідношенню E = kt, T ~ 2×10 9 K) і, отже, вигляд s(v) визначається в основному вірогідністю «тунельного» проходження крізь бар'єр (див. Тунельний ефект ) , а не власне ядерною взаємодією, що у ряді випадків обумовлює «резонансний» характер залежності s(v) (саме такий залежність виявляється в найбільших із значень s макс в таблиці 1). Результат має вигляд

< vs(v) > = const× Т -2/3 ехр}

,

де const — постійна, характерна для даної реакції, Z 1 , Z 2 заряди ядер, що стикаються,   їх приведена маса, е — заряд електрона,  — Планка постійна, до — Больцмана постійна .

Таблиця 1

Реакція

Енерговиділення, Мев

 

s макс , барн (в області енергій £1 Мев )

Енергія налітаючої частки, відповідна s макс , Мев

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

p + p ® D + e + + v

p + D ® 3 He + g

p + T ® 4 He + g

D + D ® T + P

D + D ® 3 He + n

D + D ® 4 He + g

D + T ® 4 He + n

T + D ® 4 He + n

T + T ® 4 He + 2n

D + 3 He ® 4 He + p

3 Не + 3 Не ® 4 Не+2р

n + 6 Li ® 4 He + T

p + 6 Li ® 4 He + 3 He

p + 7 Li ® 2 4 He + g

D + 6 Li ® 7 Li + p

D + 6 Li ® 2 4 He

D + 7 Li ® 2 4 He + n

p + 9 Ве ® 2 4 He + D

p + 9 Ве ® 6 Li + 4 He

p + 11 B ® 3 4 He

p + 15 N ® 12 C + 4 He

2,2

5,5

19,7

4,0

3,3

24,0

17,6

17,6

11,3

18,4

12,8

4,8

4,0

17,3

5,0

22,4

15,0

0,56

2,1

8,6

5,0

10 -23

10 -6

10 -6

0,16 (при 2 Мев )

0,09

5,0

5,0

0,10

0,71

2,6

10 -4

6×10 -3

0,01

0,026

10 -3

0,46

0,35

0,6

0,69 (при 1,2 Мев )

2,0

1,0

0,13

0,195

1,0

0,47

0,26

0,3

0,44

1,0

0,60

0,2

0,33

0,33

0,675

1,2

p — протон, D — дейтрон (ядро дейтерію 2 H), Т — тритон (ядро тритію 3 H) , n — нейтрон, е+ — позитрон, v — нейтрино, g фотон.

  Т. р. у Всесвіті грають двояку роль — як основне джерело енергії зірок і як механізм нуклеогенеза. Для нормальних гомогенних зірок, у тому числі Сонця, головним процесом екзоенергетичного ядерного синтезу є згорання Н в Не, точніше, перетворення 4 протонів на ядро 4 He і 2 позитрони. Цей результат можна отримати двома шляхами (Х. Беті і ін., 1938—39): 1) у протон — протонному (рр) ланцюжку, або водневому циклі; 2) у вуглецево-азотному (CN), або вуглецевому, циклі (таблиці 2 і 3).

  Перші 3 реакції входять в повний цикл двічі. Часи реакцій розраховані для умов в центрі Сонця: Т = 13 млн До (за іншими даними — 16 млн До), щільність Н — 100 г /см 3 . В дужках вказана частина енерговиділення, що безповоротно вирушає з n.

  В cn-циклі ядро 12 З грає роль каталізатора. Для Сонця і менш яскравих зірок в повному енерговиділенні переважає рр-цикл, а для яскравіших зірок — cn-цикл.

Таблиця. 2. — Водневий цикл

Реакція

Енерговиділення, Мев

Середній час реакції

р + р ® D+e + + v

е + + е ®2g

p + D ® 3 He + g

3 Не + 3 Не ® 4 Не+2р

2×0,164 + (2×0,257)

2×1,02

2×5,49

12,85

1,4×10 10 років

5,7 сік

10 6 років

Разом 4p ® 4 He + 2e +

26,21 + (0,514)

 

  Водневий цикл розгалужується на 3 варіанти. При чималих концентраціях 4 He і T > (10 ¸ 15) млн До, в повному енерговиділенні починає переважати ін. гілка рр-циклу, що відрізняється від приведеної в таблиці 2 заміною реакції 3 He + 3 He на ланцюжок:

3 He + 4 He ® 7 Ве + g, 7 Ве + e ® 7 Li + g,

p + 7 Li ® 2 4 He,

а при ще вищих Т — третя гілка:

3 He + 4 He ® 7 Ве + g, р + 7 Ве ® 8 В + g,

8 B ® 8 Ве + e + + n, 8 Ве ® 2 4 He.

  Для зірок-гігантів з щільними вигорілими (за змістом Н) ядрами істотні гелієвий і неоновий цикли Т. р.; вони протікають при значно вищих температурах і щільності, чим рр- і cn-циклі. Основною реакцією гелієвого циклу, що йде, починаючи з T » 200 млн До, є так званий процес Солпітера: 3 4 He ® 12 C + g 1 + g 2 + 7,3 Мев (процес не строго потрійний, а двоступінчатий, такий, що йде через проміжне ядро 8 Ве). Далі можуть слідувати реакції 12 C + 4 Не ® 16 O + g, 16 O + 4 He ® 20 Ne + g ; в цьому полягає один з механізмів нуклеогенеза. Можливість процесу Солпітера, а тим самим і нуклеогенеза більшості елементів (передумова виникнення всіх форм життя!) пов'язана з такою випадковою обставиною, як велика «гострота» резонансу в ядерній реакції 3 4 Не ® 12 З, забезпечувана наявністю відповідного дискретного рівня енергії в ядра 8 Ве.

  Якщо продукти реакцій гелієвого циклу вступлять в контакт з Н, то здійснюється неоновий (Ne—na) цикл, в якому ядро 20 Ne грає роль каталізатора для процесу згорання Н в Не. Послідовність реакцій тут сповна аналогічна cn-циклу (таблиця. 3), лише ядра 12 C, 13 N, 13 C, 14 N 15 O, 15 N замінюються відповідно ядрамі 20 Ne, 21 Na, 21 Ne, 22 Na, 23 Na, 23 Mg.

Таблиця. 3. — Вуглецевий цикл

Реакція

Енерговиділення, Мев

Середній час реакції

р + 12 З ® 13 N + g

1,95

1,3×10 7 років

13 N ® 13 З + е + + v

1,50(0,72)

7,0 мін

р + 13 З ® 14 N + g

7,54

2,7×10 6 років

р + 14 N ® 15 O + g

7,35

3,3×10 8 років

15 O ® 15 N + e + +v

1,73 + (0,98)

82 сік

р + 15 N ® 12 З + 4 Не

4,96

1,1×10 5 років

Разом 4р ® 4 Не + 2е +

25,03 + (1,70)

  Потужність цього циклу як джерела енергії невелика. Проте він, мабуть, має велике значення для нуклеогенеза, оскільки одне з проміжних ядер циклу ( 21 Ne) може служити джерелом нейтронів: 21 Ne + 4 He ® 24 Mg + n (аналогічну роль може грати і ядро З, що бере участь в cn-циклі). Подальший «ланцюговий» захват нейтронів, що чергується з процесами b, - -распада, є механізмом синтезу усе більш важких ядер.

  Середня інтенсивність енерговиділення e в типових зоряних Т. р. по земних масштабах нікчемна. Так, для Сонця (в середньому на 1 г сонячної маси) . Це значно менше, наприклад, швидкості енерговиділення в живому організмі в процесі обміну речовин. Проте унаслідок величезної маси Сонця (2×10 33 г ) повна випромінювана ним потужність (4×10 26 Вт ) надзвичайно велика (вона відповідає щосекундному зменшенню маси Сонця на ~ 4 млн. т ) і навіть нікчемної її долі вистачає, щоб робити вирішальний вплив на енергетичний баланс земної поверхні, життя і т. д.

  Із-за колосальних розмірів і мас Сонця і зірок в них ідеально вирішується проблема утримання (в даному випадку — гравітаційного) і термоізоляції плазми: Т. р. протікають в гарячому ядрі зірки, а тепловіддача відбувається з видаленою і набагато холоднішою поверхні. Лише тому зірки можуть ефективно генерувати енергію в таких повільних процесах, як рр- і cn-циклі (таблиця. 2 і 3). У земних умовах ці процеси практично неосуществіми; наприклад фундаментальна реакція   р + p ® D + е + + n безпосередньо взагалі не спостерігалася.

  Т. р. в земних умовах. На Землі має сенс використовувати лише найбільш ефективні з Т. р., зв'язані за участю ізотопів водню D і Т. Подобниє Т. р. в порівняно крупних масштабах здійснені доки лише у випробувальних вибухах термоядерних, або водневих бомб (див. Ядерна зброя ) . Енергія, що вивільняється при вибуху такої бомби (10 23 — 10 24 ерг ) , перевищує тижневе вироблення електроенергії на всій земній кулі і порівнянна з енергією землетрусів і ураганів. Вірогідна схема реакцій в термоядерній бомбі включає Т. р. 12, 7, 4 і 5 (таблиця. 1). У зв'язку з термоядерними вибухами обговорювалися і ін. Т. р., наприклад 16,14, 3.

  Шляхом використання Т. р. в мирних цілях може з'явитися керований термоядерний синтез (УТС), з яким зв'язують надії на вирішення енергетичних проблем людства, оскільки дейтерій, що міститься у воді океанів, є практично невичерпним джерелом дешевого пального для керованих Т. р. Найбільший прогрес в дослідженнях по УТС досягнутий в рамках радянської програми «Токамак». Аналогічні програми до середини 70-х рр. 20 ст стали енергійно розвиватися і у ряді ін. країн. Для УТС найбільш важливі Т. р. 7,5 і 4 [а також 12 для регенерації дорогого Т]. Незалежно від енергетичних цілей термоядерний реактор може бути використаний як потужне джерело швидких нейтронів. Проте значну увагу привернули до себе і «чисті» Т. р., такі, що не дають нейтронів, наприклад 10, 20 (таблиця. 1).

  Літ.: Арцимовіч Л. А., Керовані термоядерні реакції, 2 видавництва, М., 1963; Франк-Каменецкий Д. А., Фізичні процеси усередині зірок, М., 1959; Термоядерні реакції, в кн.: Проблеми сучасної фізики, М., 1954, ст 1; Fowler W. A., Caughlan G. R., Zimmerman Ст A., «Annual Review of Astronomy and Astrophysics», 1967, v. 5, р. 525.

  Ст І. Коган.