Термоядерные реакции

Определение

Термоядерная реакция — это процесс слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлые ядра, сопровождающийся выделением значительного количества энергии, который происходит при очень высоких температурах.

Формула

ΔE = Δm·c²

• ΔE — выделившаяся энергия в термоядерной реакции
• Δm — дефект масс — разность между суммарной массой исходных ядер и массой образовавшихся ядер
• c — скорость света в вакууме

Единицы измерения: джоуль (Дж) для энергии, килограмм (кг) для массы, метр в секунду (м/с) для скорости света

Как это устроено

Для начала термоядерной реакции лёгкие ядра (например, изотопы водорода — дейтерий и тритий) должны сблизиться на очень малое расстояние, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание между их положительно заряженными протонами. Это возможно только при очень высоких температурах (миллионы градусов Цельсия) и давлениях, при которых вещество переходит в состояние плазмы. При таких условиях ядра движутся с огромными скоростями, сталкиваются и сливаются воедино под действием сильного ядерного взаимодействия, образуя новое, более тяжёлое ядро и высвобождая энергию. Выделение энергии объясняется тем, что масса образовавшегося ядра меньше суммы масс исходных ядер (дефект масс).

Источник энергии звёзд

Термоядерные реакции являются основным источником энергии Солнца и других звёзд. Внутри звёзд под действием огромной гравитации создаются необходимые условия — чрезвычайно высокая температура и плотность вещества. На Солнце основной цикл термоядерных реакций называется протон-протонным циклом, в ходе которого четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия. Этот процесс непрерывно высвобождает колоссальные объёмы энергии, которые доходят до Земли в виде света и тепла, поддерживая жизнь.

Управляемый термоядерный синтез

Учёные во всём мире работают над созданием управляемой термоядерной реакции на Земле. Это позволит получить практически неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии. Основная сложность заключается в поддержании плазмы с температурой в миллионы градусов в стабильном состоянии и удержании её в ограниченном объёме, чтобы она не касалась стенок реактора. Для этого используются мощные магнитные поля (в установках типа токамак) или инерционный подход (сжатие топлива лазерами), чтобы достичь условий, необходимых для синтеза.

Разбор задач

Задача 1

Оцените энергию, выделяющуюся при реакции слияния дейтерия и трития: ²Н + ³Н → ⁴Не + ¹n. Массы ядер: m(²Н) = 2.014102 а.е.м., m(³Н) = 3.016049 а.е.м., m(⁴Не) = 4.002603 а.е.м., m(¹n) = 1.008665 а.е.м. 1 а.е.м. = 931.5 МэВ/c².

1. Найдем суммарную массу исходных ядер: m_исх = m(²Н) + m(³Н) = 2.014102 + 3.016049 = 5.030151 а.е.м. 2. Найдем суммарную массу продуктов реакции: m_прод = m(⁴Не) + m(¹n) = 4.002603 + 1.008665 = 5.011268 а.е.м. 3. Рассчитаем дефект масс: Δm = m_исх - m_прод = 5.030151 - 5.011268 = 0.018883 а.е.м. 4. Переведем дефект масс в энергетический эквивалент, используя формулу Эйнштейна E = Δm·c² и соотношение 1 а.е.м. = 931.5 МэВ/c²: E = 0.018883 · 931.5 МэВ = 17.587 МэВ.

Ответ: Энергия, выделяющаяся в реакции, составляет примерно 17.59 МэВ.

Где это встречается

• Солнце и звёзды — Термоядерные реакции (например, слияние водорода в гелий) служат основным источником энергии, за счёт которой звёзды светят и излучают тепло миллиарды лет.
• Термоядерное оружие (водородная бомба) — Неуправляемая термоядерная реакция используется для создания взрывной волны колоссальной разрушительной силы. Для инициации синтеза используется энергия ядерного взрыва (реакции деления).
• Будущие электростанции (термоядерные реакторы) — Учёные разрабатывают технологии для создания управляемых термоядерных реакторов, которые смогут производить электроэнергию из доступного топлива (изотопы водорода) с минимальным количеством радиоактивных отходов.

Типичные ошибки

Не путать

• Ядерная реакция деления — Термоядерная реакция — это слияние лёгких ядер в более тяжёлые, а ядерная реакция деления — распад тяжёлых ядер на более лёгкие. Оба процесса выделяют энергию, но по разным механизмам.
• Химические реакции — Термоядерные реакции затрагивают изменения атомных ядер и выделяют гораздо больше энергии. Химические реакции затрагивают только электронные оболочки атомов, ядра остаются неизменными.

Откуда взялось понятие

Идея термоядерных реакций как источника энергии звёзд была предложена в 1920-х годах, а первые теоретические работы по управляемому термоядерному синтезу появились в 1940-х годах. В 1950-х годах начались активные исследования в этом направлении.

Как запомнить

Термоядерные реакции — это звёзды, слияние и огромное тепло.