§ 268.  Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций

Колоссальным источником энергии может служить реакция синтеза атомных ядер — образование из легких ядер более тяже­лых. Удельная энергия связи ядер (см. рис. 342) резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дей­терия ²₁Н и трития ³₁Н) к литию ⁶₃Li и осо­бенно к гелию ⁴₂He, т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны со­провождаться выделением большого коли­чества энергии, что действительно под­тверждается расчетами. В качестве при­меров рассмотрим реакции синтеза:

²₁Н+²₁Н®³₁H+¹₁p    (Q=4,0 МэВ), ²₁Н +²₁Н®³₂He+¹₀n    (Q=3,3    МэВ),

²₁Н+³₁H®⁴₂He+¹₀n    (Q=17,6    МэВ),

(268.1)

⁶₃Li+²₁H®⁴₂He+⁴₂He    (Q=22,4    МэВ),

где Q — энерговыделение.

Реакции синтеза атомных ядер обла­дают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер. В самом деле, если при делении ядра ²³⁸₉₂U выделяется энергия примерно 200 МэВ, что составляет на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то в реакции (268.1)

 

 

434

»3,5 МэВ.

Оценим на примере реакции синтеза ядер дейтерия ²₁H температуру ее протека­ния. Для соединения ядер дейтерия их надо сблизить до расстояния 2•10^-15 м, равного радиусу действия ядерных сил, преодолевая при этом потенциальную энергию отталкивания е²/(4pe₀r)»0,7 МэВ. Так как на долю каждого сталкивающегося ядра приходится поло­вина указанной энергии, то средней энер­гии теплового движения, равной 0,35 МэВ, соответствует температура, приблизительно равная 2,6•10⁹ К. Следо­вательно, реакция синтеза ядер дейтерия может происходить лишь при температуре, на два порядка превышающей температу­ру центральных областей Солнца (при­мерно 1,3•10⁷ К).

Однако оказывается, что для протека­ния реакции синтеза атомных ядер до­статочно температуры порядка 10' К. Это связано с двумя факторами: 1) при темпе­ратурах, характерных для реакций синте­за атомных ядер, любое вещество нахо­дится в состоянии плазмы, распределение частиц которой подчиняется закону Мак­свелла; поэтому всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение: 2) синтез ядер может происходить вследствие тун­нельного эффекта (см. §221).

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 10⁷ К и выше), называются термоядерны­ми реакциями.

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. В принципе высказаны два предположения о возможных спосо­бах протекания термоядерных реакций на Солнце:

1) протонно-протонный, или водород­ный, цикл, характерный для температур (примерно 10⁷ К):

2) углеродно-азотный, или углерод­ный, цикл, характерный для более высоких температур (примерно 2•10⁷ К):

В результате этого цикла четыре протона превращаются в ядро гелия и выделяется энергия, равная 26,7 МэВ. Ядра же угле­рода, число которых остается неизменным, участвуют в реакции в роли катализатора.

Термоядерные реакции дают наиболь­ший выход энергии на единицу массы «го­рючего», чем любые другие превращения, в том числе и деление тяжелых ядер. На­пример, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина. Поэтому заманчи­ва перспектива осуществления термоядер­ных реакций искусственным путем.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бом­бы, являющегося неуправляемой реак­цией. Взрывчатым веществом, в котором происходила реакция (268.1), является смесь дейтерия и трития, а запалом — «обычная» атомная бомба, при взрыве ко­торой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции темпе­ратура.

Особый интерес представляет осуще­ствление управляемой термоядерной ре­акции, для обеспечения которой необходи­мо создание и поддерживание в ограни­ченном объеме температуры порядка 10⁸ К. Так как при данной температу­ре термоядерное рабочее вещество пред­ставляет собой полностью ионизованную плазму (см. § 108), возникает проблема ее эффективной термоизоляции от стенок ра­бочего объема. На данном этапе развития

 

435

считается, что основной путь в этом на­правлении — это удержание плазмы в ог­раниченном объеме сильными магнитными полями специальной формы.

Начало широкого международного сотруд­ничества в области физики высокотемператур­ной плазмы и управляемого термоядерного син­теза положено в знаменитом докладе И. В. Курчатова в Харуэле в 1956 г.

Хотя проблема управляемого термоядерно­го синтеза не решена до сих пор, но за послед­нее десятилетие в этом направлении достигнут значительный прогресс. Под руководством Л. А. Арцимовича коллектив ученых Института атомной энергии (ИАЭ) им. И. В. Курчатова осуществил широкий круг исследований, ре­зультатом которых явился пуск летом 1975 г. в ИЭА крупнейшей в мире термоядерной установки «Токамак-10» (Т-10).

В Т-10, как и во всех установках этого типа, плазма создается в тороидальной камере, на­ходящейся в магнитном поле, а само плазмен­ное образование — плазменный шнур — также имеет форму тора. В Т-10 плазма с температу­рой примерно (7—8)•10⁶ К и плотностью при­мерно 10¹⁴ частиц/см³ создается в объеме, при­близительно равном 5 м³, на время около физик.

1 с. Однако следует отметить, что до осуще­ствления критерия Лоусона — условия, необ­ходимого для начала самоподдерживающейся термоядерной реакции,— еще остается значи­тельный «путь»: примерно 20 раз по nt (про­изведение плотности частиц на время удержа­ния плазмы) и примерно 10 раз по температуре. Результаты, полученные на Т-10, вместе с ре­зультатами, ожидаемыми на создаваемых уста­новках (например, Т-20), по мере решения раз­ного рода инженерно-технологических проблем служат базой для создания термоядерного ре­актора «Токамака».

Управляемый термоядерный синтез откры­вает человечеству доступ к неисчерпаемой «кла­довой» ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Наиболее заманчивой в этом смысле является возможность извлечения энергии из дейтерия, содержащегося в обычной воде. В са­мом деле, количество дейтерия в океанской воде составляет примерно 4•10¹³ т, чему соответству­ет энергетический запас 10¹⁷ МВт•год. Другими словами, эти ресурсы неограниченны. Остается только надеяться, что решение этих проблем — дело недалекого будущего.