Курс лекций по разделу физика атома и ядра

Термоядерными реакциями называются ядерные реакции, протекающие между легчайшими ядрами при очень высоких температурах среды. Высокие температуры необходимы для сообщения ядрам, участвующих в реакции, кинетической энергии для преодоления кулоновского барьера и сближения ядер до расстояний, когда начинается ядерное взаимодействие. Легчайшим ядрам не только проще преодолевать кулоновский барьер, но и энергетически выгодно сливаться друг с другом в более тяжелые ядра с выделением энергии. Это следует из анализа кривой удельной связи, приведенной на рис. 1.4.2. Такой процесс слияния ядер, имеющих малую энергию связи, в более тяжелые и сильно связанные ядра, носит названия реакций синтеза.

По современным представлениям термоядерные реакции протекают в недрах звезд и Солнца, в результате чего из протонов получаются ядра гелия. Этот процесс может иметь несколько различных промежуточных стадий, но конечный результат один - четыре протона превращаются в ядро гелия:

В процессе этого превращения выделяется 26,7 МэВ энергии, значительная часть которой (от 2 до 19 %) уносится нейтрино. Из-за чрезвычайно малого сечения этого процесса его невозможно осуществить в земных условиях.

На Земле термоядерные реакции в относительно крупных масштабах удалось осуществить только в испытательных взрывах термоядерных, или «водородных» бомб. Вероятная схема реакций синтеза в водородной бомбе включает реакции (4.18), (4.19), а также реакцию

которая служит для получения трития. В центре водородной бомбы имеется ядерная бомба деления, которая окружена оболочкой из комбинированного термоядерного горючего, чаще всего из твердого химического соединения, молекулы которого состоят из атомов дейтерия и атомов ⁶Li. Бомба деления служит запалом и во время ее взрыва создается высокая температура примерно 10⁷К и возникают мощные нейтронные потоки. Далее процесс носит цепной характер, нейтроны вызывают реакцию (4.7.2), нагретые до высоких температур ядра дейтерия и трития вступают в реакцию, в результате которой выделяется энергия и образуются нейтроны и т.д. Цепной процесс прекращается тогда, когда термоядерное горючее разлетается на расстояния, при которых концентрация ядер горючего становится недостаточной для протекания цепного термоядерного процесса.

Осуществление в земных условиях управляемого термоядерного синтеза (УТС) должно полностью решить проблему снабжения человечества энергией, по крайней мере, на необозримое будущее. Существующие запасы дейтерия в водах морей и океанов в виде примеси тяжелой воды D₂O к обыкновенной воде Н₂О (концентрация ядер дейтерия составляет 0,015 %) являются практически неисчерпаемым источником термоядерного топлива. Например, количество дейтерия в стакане воды, несмотря на столь малую концентрацию, энергетически эквивалентно 60 литрам бензина.

Однако интенсивные работы, ведущиеся для реализации УТС в течение последних 50 лет, только продемонстрировали исключительную сложность этой проблемы. Реакции УТС должны протекать в установках ограниченного объема, при нагреве смеси реагирующих ядер до температур ~ 10⁸ ÷ 10⁹К. При таких температурах вещество переходит в четвертое состояние, называемое плазмой[2]. Горячая плазма, находящаяся в замкнутом объеме, расширяясь, неизбежно вступит в контакт со стенками сосуда и передав им тепло, остынет, возможно, даже расплавив их. Поэтому горячая плазма может существовать только ограниченное время и основной задачей УТС является увеличение времени τ удержания плазмы в нагретом до термоядерных температур состоянии. Превышение выделения энергии в результате термоядерной реакции над затратами энергии для нагревания плазмы до термоядерных температур определяется т.н. критерием Лоусона:

где n [см^-3] – концентрация ядер плазмы, t[c] – время удержания.

 

Другие главы электронного учебника "Физика и математика в примерах и задачах"

Ядерная физика Строение и общие свойства атомных ядер
	Свойства ядер Заряд ядра Масса ядра и масса атома Спин, магнитный и электрический моменты ядер
Ядерная физика Модели атомных ядер
	Капельная модель Оболочечная модель Радиоактивные превращения ядер Основные законы радиоактивного распада
Ядерные реакции Деление ядер
	Механизми сечение ядерных реакций Реакции под действием заряженных частиц Термоядерный синтез Энергетический барьер деления Цепная реакция деления

Аналитическая геометрия Курс лекций по разделу Геометрия и алгебра: Кривые второго порядка, системы координат, Линейная алгебра, элементы векторной алгебры

Высшая алгебра Введение в математический анализ Элементы высшей алгебры

Математика - Функции и их графики, пределы, непрерывность функций и точки разрыва, производные и дифференциалы, свойства дифференцируемых функций, матрицы, системы линейных уравнений, комплексные числа

Первообразная функция Методы интегрирования Исследование функции на экстремум с помощью производных высших порядков Вычисление определенного интеграла, объемов тел Дифференциальное исчисление функции одной переменной Дискретная математика Элементы высшей алгебры Математический анализ, примеры решения задач Строение и общие свойства атомных ядер Ядерные реакции Деление ядер Законы радиоактивного распада Взаимодействие нейтронов с ядрами Реакции с ядрами и частицамиКвантовая механика, Волновая функция Расчёт электрического поля Расчёт магнитной цепи Законы Кирхгофа и расчёт резистивных электрических цепей Электротехника лекции конспекты курсовые задачи