§ 73. Термоядерные реакции

Ядерный синтез, т. е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромных количеств энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы очень высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией.

Чтобы преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием, ядра с порядковыми номерами и должны обладать энергией

где — радиус действия ядерных сил, равный . Даже для ядер с эта энергия составляет

На долю каждого сталкивающегося ядра приходится 0,35 МэВ. Средней энергии теплового движения, равной 0,35 МэВ, соответствует температура порядка .

Однако синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. Поэтому некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах порядка К.

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития, так как реакция между ними носит резонансный характер. Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной бомбы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура порядка . Реакция синтеза дейтрона ) и ядра трития

сопровождается выделением энергии, равной 17,6 МэВ, что составляет МэВ на нуклон. Для сравнения укажем, что деление ядра урана приводит к высвобождению ~ 0,85 МэВ на нуклон.

До недавнего времени представлялось несомненным, что синтез ядер водорода в ядра гелия является источником энергии Солнца и звезд, температура в недрах которых достигает К. Этот синтез может осуществляться двумя путями. При более низких температурам имеет место протонно-прогонный цикл, протекающий следующим образом. Вначале происходит синтез двух протонов с образованием дейтрона, позитрона и нейтрино:

Образовавшийся дейтрон, сталкиваясь с протоном, объединяется с ним в ядро :

Последнее звено цикла образует реакция

При более высоких температурах большей вероятностью обладает предложенный Г. Бете углеродный (или углеродно-азотный) цикл, который состоит из следующих звеньев:

Итогом углеродного цикла является исчезновение четырех протонов и образование одной -частицы. Количество ядер углерода остается неизменным; эти ядра участвуют в реакции в роли катализатора.

В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер. Для осуществления управляемых термоядерных реакций необходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру порядка При столь высокой температуре вещество представляет собой полностью ионизированную плазму (см. § 84 2-го тома). На пути осуществления управляемой термоядерной реакции стоят огромные трудности. Наряду с необходимостью получить чрезвычайно высокие температуры, возникает проблема удержания плазмы в заданном объеме. Соприкосновение плазмы со стенками сосуда приведет к ее остыванию. Кроме того, стенка из любого вещества при такой температуре немедленно испарится. В связи с этим для удержания плазмы в заданном объеме приходится использовать магнитное поле. Силы, действующие в этом поле на движущиеся заряженные частицы, заставляют их двигаться по траекториям, расположенным в ограниченной части пространства.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Поэтому работы по овладению управляемыми термоядерными реакциями ведутся во многих странах. Особенного размаха эти работы достигли в СССР и в США.