Особым типом ядерных реакций с заряженными частицами являются термоядерные реакции. С точки зрения ядерной физики они ничем не отличаются от реакций, получаемых на ускорителях. Существенное отличие заключается лишь в способе ускорения частиц. В термоядерных реакциях - это нагрев плазмы до высокой температуры. Поэтому исследование термоядерных реакций тесно связано с изучением свойств плазмы. Плазмой называется газ в сильно ионизированном состоянии. При достаточно высоких температурах ионизация бывает полной, то есть плазма состоит из положительно заряженных ядер и электронов. Чтобы ядра в плазме могли вступить в ядерную реакцию, они должны преодолеть кулоновский барьер. Понятно поэтому, что наиболее подходящими для получения термоядерных реакций являются легкие ядра. Легчайшим ядрам энергетически выгодно сливаться друг с другом в более тяжелые с выделением энергии. Это следует из анализа кривой удельной связи, приведенной на рис. 1.4.2. Такой процесс слияния ядер носит названия реакций синтеза. В природе термоядерные реакции идут внутри звезд. По современным представлениям именно они являются источниками энергии, поддерживающими излучение звезд (в том числе и Солнца). Так что в этом смысле все живое обязано своим существованием термоядерным реакциям. В звездах идут термоядерные реакции, в которых из протонов получаются ядра гелия. Эта реакция может иметь несколько различных промежуточных стадий, но конечный результат можно записать в виде . (4.7.1) В процессе этого превращения выделяется 26,7 МэВ энергии, значительная часть которой (до 19 уносится нейтрино. В земных условиях эту реакцию осуществить невозможно, так как ее сечение очень мало. Практическое осуществление термоядерных реакций оказалось возможным лишь после открытия тяжелых изотопов водорода 2Н и 3Н. Наиболее подходящими оказались реакции d-d (4.6.20) и особенно d-t (4.6.21). Дейтерий в виде примеси тяжелой воды D2O содержится в воде морей и океанов. Несмотря на ничтожную концентрацию (~ 0,015 %), запасы его можно считать неисчерпаемыми. Тритий в природе практически отсутствует, но может быть получен в реакции (4.7.2) Первое применение термоядерные реакции нашли, к сожалению, в термоядерном оружии. «Водородная» бомба состоит из бомбы деления (ядерной бомбы) в качестве инициирующего устройства и оболочки из подходящего вещества, например, D(6Li) (дейтерид лития-6). Во время взрыва образуется «огненный шар» - облако плазмы с высокой температурой и мощные нейтронные потоки. Нейтроны в реакции (4.7.2) образуют тритий, а ядра трития после нагрева вступает в термоядерную реакцию (4.6.21) с большим выделением энергии, что во много раз усиливает взрыв. Получить управляемую термоядерную реакцию синтеза оказалось значительно сложнее. Для реализации идеи термоядерного реактора необходимо нагреть дейтерий-тритиевую плазму до температуры ~ 10 кэВ или дейтерий-дейтеривую плазму до ~ 100 кэВ (1 кэВ соответствует тепловому движению частиц при температуре 11,6(106 К). При этом концентрации плазмы n [см-3] и время удержания ее ( [c] должны удовлетворять условию Лоусона: n( >1014 (для d-t реакции), n( >1016 (для d-d реакции). (4.7.3) Смысл критерия Лоусона - превышение энерговыделения в плазме в результате термоядерных реакций над потерями энергии (тормозное излучение, главным образом, в диапазоне мягких рентгеновских лучей, теплопроводность и уход частиц на стенки камеры). Из условий (4.7.3) видно, что для получения положительного выхода энергии в термоядерной реакции необходимо либо быстро сжать плазму до очень большой плотности (например, за 10-9 с до 1023 см-3), либо относительно значительное время удерживать ее при низкой концентрации (например, в течение τ=0,1с при n=1015 см-3). Большее развитие получило второе направление. Это различного типа магнитные ловушки, в которых плазму предполагается изолировать от стенок с помощью магнитного поля. На рис. 4.7.1 показана схема тороидальной магнитной ловушки типа токамак (абревиатура от слов «тороидальная камера, магнитная катушка»). Принцип действия токамака можно понять из рисунка. При разряде конденсаторной батареи большой емкости через первичную обмотку 2 в газе, содержащемся в камере 3, наводится ток, образующий плазму. Катушка 4 создает сильное тороидальное магнитное поле, которое в сочетании с собственным магнитным полем тока В0 образует поле с винтообразными силовыми линиями. Это магнитное поле и должно обеспечить изоляцию плазмы. Имеются и другие типы ловушек, в том числе и прямые, но тока-маки в настоящее время считаются наиболее перспективными устройствами. В будущих термоядерных реакторах камера с плазмой будет окружена еще бланкетом - емкостью, содержащей теплоноситель, например, жидкий литий, который предполагается использовать также для воспроизводства трития в реакции (4.7.2). Так как эта реакция тоже экзоэнергетическая, то она дает существенное добавление к энергии, выделяющейся в d-t или d-d реакциях и переносимой в бланкет нейтронами. Нагрев теплоносителя будет, скорее всего, использован для создания пара в теплообменнике с последующим применением паросилового цикла, то есть паровой турбины с электрогенератором. Возможен, в принципе, и вариант прямого использования переменного магнитного поля для получения электротока в дополнительной обмотке, но этот способ, по крайней мере в настоящее время, считается более сложным. Нейтроны, получающиеся в термоядерных реакциях (4.6.20) или (4.6.21) можно использовать для переработки неделящегося нуклида 238U в делящийся 239Рu (подробнее об этой реакции - в глава о делении ядер). Проекты такого типа называют гибридными реакторами. Требования к параметрам плазмы у них существенно ниже, чем у чисто термоядерных реакторов, и поэтому вероятно, что они будут построены раньше. Что касается первого направления - сверхбыстрого сжатия мишеней (шариков из подходящих соединений трития величиной с булавочную головку) - то оно исследовано еще меньше, чем направление с магнитным удержанием плазмы. Сжатие мишеней и получение микротермоядерного взрыва предполагается осуществить либо с помощью облучения мощными лазерными импульсами, либо с помощью сверхмощных (~ 1013 – 1014 Вт) импульсов электронных или ионных пучков. Всестороннее облучение сферических мишеней приводит к появлению мощных потоков частиц, испаряющихся с поверхности и возникновению реактивной силы, сжимающей вещество мишени в сотни или тысячи раз. Схлопывание ударных волн в конце процесса сжатия (кумуляция) приводит к значительной концентрации энергии в центре мишени. В результате происходит разогрев до высоких температур и термоядерная вспышка, которую можно использовать для получения энергии. На пути к практическому осуществлению таких методов (их иногда называют инерционным удержанием плазмы) предстоит преодолеть еще много принципиальных и технических проблем, поэтому оценить возможность осуществления этих методов или их приблизительные сроки еще невозможно. Отметим, что даже если термоядерные электростанции никогда не будут построены, программа термоядерных исследований уже принесла немалую пользу, способствуя изучению и применению плазмы во многих как фундаментальных (астрофизика, ускорение плазмы), так и прикладных (сварка, обработка материалов, плазмохимия) исследованиях.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Термоядерные реакции» з дисципліни «Основи ядерної фізики»
уносится нейтрино. В земных условиях эту реакцию осуществить невозможно, так как ее сечение очень мало. Практическое осуществление термоядерных реакций оказалось возможным лишь после открытия тяжелых изотопов водорода 2Н и 3Н. Наиболее подходящими оказались реакции d-d (4.6.20) и особенно d-t (4.6.21). 