Фізика. 9 клас. Головко

§ 34. Термоядерні реакції

• Термоядерні реакції

• Енергія Сонця й зір

• Керований термоядерний синтез

ТЕРМОЯДЕРНІ РЕАКЦІЇ. За допомогою реакцій ядерного синтезу одержано елементи, яких немає в природі, наприклад:

⁹⁸₄₂Мо + ²₁Н → ⁹⁹₄₃Тс + ¹₀n.

Ядерні реакції синтезу — взаємодія ядер атомів хімічних елементів з елементарними частинками, γ-випромінюванням або з ядрами інших елементів.

Ядерні сили виявляються лише на відстанях, менших за величиною діаметра ядра (10^-15 м). Для того щоб подолати кулонівське відштовхуванням протонів у однойменно позитивно заряджених ядрах, необхідно передати ядрам, які будуть зливатися, енергію, необхідну для такого злиття. Під час злиття ядер виділяється енергія, яку називають термоядерною, вона більша за енергію, що виділяється під час поділу важких ядер:

²₁Н + ³₁H → ⁴₂Не + ¹₀n + 17,6 МеВ.

Загалом у цій реакції виділяється 17,6 МеВ. Це одна з найперспективніших термоядерних реакцій. Термоядерні реакції ефективно відбуваються при температурах понад 10⁷ К. Це надзвичайно висока температура. За такої температури речовина перебуває в повністю іонізованому стані, який називається плазмою. Здійснення термоядерних реакцій у земних умовах дає людству можливості отримання екологічно чистої і практично невичерпної енергії (на відміну від реакцій поділу важких ядер, у результаті термоядерного синтезу не утворюються радіоактивні відходи).

На сучасному етапі розвитку науки і техніки вдалося здійснити тільки некеровану реакцію синтезу у водневій бомбі. Висока температура, потрібна для ядерного синтезу, досягається тут за допомогою вибуху звичайної уранової або плутонієвої бомби.

ЕНЕРГІЯ СОНЦЯ ТА ЗІР. Термоядерні реакції відіграють надзвичайно важливу роль в еволюції Всесвіту. Енергія випромінювання Сонця і зірок має термоядерне походження.

Сонце і зірки випромінюють величезну енергію у світовий простір. У центрі Сонця температура близько 13 000 000 К. При такій температурі атоми повністю йонізовані, тобто навколо їхніх ядер уже немає електронних оболонок. Фактично Сонце заповнене електронно-іонним газом. Високі температури зумовлюють колосальні тиски цих газів, і ядра можуть підійти значно ближче одне до одного, ніж у земних умовах за звичайних температур. У результаті цих реакцій виділяється величезна енергія.

Природно, що в результаті ядерних реакцій вміст Гідрогену на Сонці зменшується, і після того, як увесь водень витратиться, виділення енергії припиниться: Сонце згасне. Але і тут побоюватися немає чого. Зараз на Сонці стільки водню, що його вистачить, як показують підрахунки, на 30 мільярдів років

У різних зірках мають місце різні термоядерні реакції, а в одній і тій самій зірці в процесі її розвитку одні ядерні реакції змінюють інші. Спочатку відбувається реакція «згоряння» дейтерію. При цьому температура зірки збільшується, тиск усередині неї підвищується і стиск зірки сповільнюється або призупиняється аж до вигорання дейтерію. Наступним етапом еволюції зірки є розвиток в ній ядерних реакцій синтезу Гелію з Протієм. Саме ці ядерні реакції мають основне енергетичне значення для нашого Сонця і багатьох інших зірок. При їх протіканні чотири ядра атомів Гідрогену шляхом ряду послідовних перетворень утворюють ядро атома Гелію.

Після того, як значна частина Гідрогену буде витрачена і, таким чином, це джерело енергії вичерпається, зірка знову стискається, а температура речовини в її надрах і її густина ще більше збільшуються. Це ще один кардинальний етап у житті зірки. Тепер у ній починає протікати реакція синтезу Гелію, що призводить до утворення ще важчих елементів. Температура її надр підвищується, а оболонка розбухає. При цьому зірка перетворюється на червоний гігант.

КЕРОВАНИЙ ТЕРМОЯДЕРНИЙ СИНТЕЗ. Здійснення термоядер них реакцій у земних умовах дає людству можливість отримання екологічно чистої і практично невичерпної енергії (на відміну від реакцій поділу важких ядер, у результаті термоядерного синтезу не утворюються радіоактивні відходи). Дейтерій, необхідний для найефективнішої реакції, міститься у воді морів і океанів (у вигляді молекул), його кількості вистачить на сотні мільйонів років.

Керована термоядерна реакція — енергетично вигідна. Проте вона може відбуватися лише при дуже високих температурах (близько декілька сотень мільйонів градусів) та при великій густині речовини. При цьому виникає проблема — важко утримати плазму, в багатьох наукових центрах ведуться роботи, спрямовані на здійснення керованої термоядерної реакції.

Основи теорії керованого термоядерного синтезу заклали в 1950 р. І. Є. Тамм і А. Д. Сахаров, запропонувавши утримувати магнітним полем гарячу плазму, що утворилася в результаті реакцій. Ця ідея і привела до створення термоядерних реакторів. При великій густині речовини необхідна висока температура в сотні млн. градусів може бути досягнута шляхом створення в плазмі потужних електронних розрядів, але важко утримати високотемпературну плазму.

Сучасні термоядерні реактори — це дослідницькі установки, в яких можливе існування і збереження плазми лише на деякий час. Найбільш потужний термоядерний реактор (рис. 34.1) розміщений у місті Абінгдон неподалік Оксфорда. Реактор має висоту 10 метрів, а час життя виробленої ним плазми становить близько 1 секунди.

Рис. 34.1. Загальний вигляд Абінгдонського термоядерного реактора.

! Головне в цьому параграфі

Для того, щоб між ядрами відбулась ядерна взаємодія, необхідно зблизити два ядра на відстані, менші від діаметра ядра (порядку 10^-15 м).

Термоядерними реакціями називаються екзотермічні ядерні реакції синтезу легких ядер у важчі. Термоядерні реакції ефективно відбуваються при надвисоких температурах близько 10⁷ — 10⁹ К.

Термоядерні реакції відіграють надзвичайно важливу роль в еволюції Всесвіту. Енергія випромінювання Сонця і зірок має термоядерне походження.

Здійснення термоядерних реакцій у земних умовах дає людству можливість отримання екологічно чистої і практично невичерпної енергії (на відміну від реакцій поділу важких ядер, у результаті термоядерного синтезу не утворюються радіоактивні відходи).

? Запитання для самоперевірки

1. Чому реакція синтезу легких ядер відбувається тільки за дуже високих температур?

2. Допишіть рівняння ядерних реакцій:

⁷₃Li + ? → ⁸₄Ве + ¹₀n

⁶₃Li + ¹₁H → ⁴₂He + ?

⁵⁵₂₅Mn + ¹₁H → ⁵⁵₂₆Fe + ?

²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ¹₁H + ?

3. У чому різниця між реакціями ядерного поділу і синтезу?

4. Ядра яких елементів насамперед вступають у реакцію синтезу?

5. Чому Сонце втрачає масу?