Cтраница 2
Сочетание этих двух реакций и лежит в основе термоядерного синтеза. Для того чтобы ядерная реакция синтеза гелия из водорода началась, исходные вещества необходимо нагреть до температуры 100 000 000 С. [16]
Синтез ядер атомов многих легких элементов, так же как и распад атомных ядер тяжелых элементов, сопровождается выделением значительных количеств энергии. Особенно большой теоретический и практический интерес в энергетическом отношении представляют ядерные реакции синтеза гелия из водорода. [17]
При еще ббльших давлениях в веществе начинают происходить ядерные процессы. Ядерные процессы в сильно сжатом веществе проходят следующие стадии: захват электронов ядрами с превращением протонов в нейтроны ( см. Нейтронизация ве-щества) -, образование сильно нейтронно-избыточных ядер, не способных удерживать нейтроны, и возникновение самостоят, нейтронной компоненты вещества; наконец, образование нейтронного вещества ( нейтронной жидкости) с малой примесью протонов и электронов ( см., напр. Ядерные реакции синтеза в сильно сжатом веществе протекают в пикноядерном режиме ( см. Пикноядерные реакции), когда кулоновский барьер съедается благодаря малому расстоянию между реагентами. [18]
С повышением темп-ры электрон-ядерное вещество претерпевает фазовые переходы плавления и кипения или возгонки, после чего начинается процесс ионизации атомов с превращением вещества в частично ионизованную плотную плазму, х-рая испытывает по мере увеличения Т свойственные такому состоянию фазовые превращения. В конечном счете возникает идеальная, полностью ионизованная плазма, состоящая из голых ядер и электронов. При еще больших Т начинают идти ядерные реакции синтеза, протекающие в термоядерном режиме ( кулоновский барьер преодолевается благодаря большой кинетич. [19]
Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур ( порядка сотен миллионов кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза получили название термоядерных реакций. [20]
Ответ на вопрос о том, зачем нужен управляемый синтез, получен, и можно перейти к более прозаическим темам. Сначала, в самых общих чертах, обсудим вопрос о ядерных реакциях синтеза и возможных схемах установок для получения горячей плазмы. Затем остановимся на основных представлениях физики горячей плазмы, всемерно выделяя результаты экспериментальных исследований. Последнюю часть книги мы отведем описанию важнейших экспериментов, которые были предприняты для получения горячей, плотной и устойчивой плазмы. [21]
Например, предположим, что в таком ускорителе с помощью пучка дейтронов энергией 1 МэВ бомбардируется мишень из дейтерия, первоначально имеющая комнатную температуру. В лучшем случае только 10 % бомбардирующих дейтронов ( пучок таких дейтронов может содержать всего около 1016 частиц) будет вступать в ядерную реакцию синтеза с участием дейтронов мишени ( возможно, лишь после многочисленных столкновений) и отдавать тем самым часть своей кинетической энергии на термоядерную реакцию. Таким образом, бомбардировка дейтронами высоких энергий приводит в ускорителе лишь к тому, что эти дейтроны как бы растворяются в огромном количестве дейтронов мишени, обладающих низкой энергией. Оказывается, для того чтобы началась самоподдерживающаяся ядерная реакция синтеза, необходимо поднять температуру мишени до нескольких миллионов градусов. Только тогда беспорядочные столкновения, обусловленные тепловым движением дейтронов мишени, будут приводить к достаточно частым реакциям ядерного синтеза, чтобы выделившаяся энергия смогла превзойти энергию бомбардирующих дейтронов. [22]
В последнем случае дефект массы образовавшегося дейтрона соответствует энергии лишь 2 19 МэВ ( см. стр. В принципе возможны также и реакции синтеза, с участием ядер гелия или других легких элементов. Но наличие у них более высоких электрических зарядов увеличивает силу взаимного отталкивания, что в конечном счете затрудняет их сближение на такое расстояние, при котором может произойти ядерная реакция синтеза. [23]
Более полное описание основных типов ядерных реакторов будет дано в следующей главе, а пока отметим, что в сегодняшних атомных электростанциях просто заменены обычные печи, сжигающие уголь или нефть, другим источником тепла. В будущих реакторах, в которых будет происходить прямое преобразование ядерной энергии в электрическую, потребуется, очевидно, гораздо более совершенная технология. Над ней уже кропотливо работают ученые и инженеры, исследующие возможность получения энергии, и в частности из ядерных реакций синтеза в термоядерных реакторах. И поскольку температура плавления твердотопливных стержней ( или, вернее, их сборок) ограничивает возможности сегодняшних ядерных реакторов, то был выдвинут ряд предложений о постройке реакторов, работающих на жидком или газообразном ядерном топливе. [24]
Например, предположим, что в таком ускорителе с помощью пучка дейтронов энергией 1 МэВ бомбардируется мишень из дейтерия, первоначально имеющая комнатную температуру. В лучшем случае только 10 % бомбардирующих дейтронов ( пучок таких дейтронов может содержать всего около 1016 частиц) будет вступать в ядерную реакцию синтеза с участием дейтронов мишени ( возможно, лишь после многочисленных столкновений) и отдавать тем самым часть своей кинетической энергии на термоядерную реакцию. Таким образом, бомбардировка дейтронами высоких энергий приводит в ускорителе лишь к тому, что эти дейтроны как бы растворяются в огромном количестве дейтронов мишени, обладающих низкой энергией. Оказывается, для того чтобы началась самоподдерживающаяся ядерная реакция синтеза, необходимо поднять температуру мишени до нескольких миллионов градусов. Только тогда беспорядочные столкновения, обусловленные тепловым движением дейтронов мишени, будут приводить к достаточно частым реакциям ядерного синтеза, чтобы выделившаяся энергия смогла превзойти энергию бомбардирующих дейтронов. [25]
Однако для осуществления ядерных реакций требуется высокая энергия частиц, которая достигается при температурах около 108 К. Считается, что условия для протекания ядерных реакций создаются в результате достижения, с определенной плотностью, суммарной массы частиц межзвездного пространства около 0 03 массы Солнца. Тогда, в силу всемирного закона тяготения, вещество еще более сжимается и при этом выделяется энергия. При достаточном разогреве такой массы начинают протекать ядерные реакции синтеза новых элементов. [26]