§ 110. Термоядерные реакции

Определения и обозначения

Термоядерная реакция — это слияние лёгких атомных ядер при очень высокой температуре. Название подчёркивает, что для процесса требуется сильный нагрев, а не просто любое соединение ядер. От обычной ядерной реакции её отличает именно слияние лёгких ядер как основной процесс.

Кулоновский барьер — электростатическое отталкивание между положительно заряженными ядрами. Оно мешает им сблизиться, хотя для соединения ядер необходимо подойти на расстояние действия ядерных сил. Понятие помогает объяснить, почему топливо нужно нагревать.

Плазма — состояние вещества, состоящего из свободных электронов и положительных ионов, то есть атомов, потерявших часть электронов. В горячей плазме находятся частицы термоядерного топлива. Её необходимо удерживать, чтобы она не остыла и не коснулась стенок установки.

Управляемая термоядерная реакция — слияние ядер, которое поддерживают в контролируемых условиях ради получения энергии. Нужно не только запустить процесс, но и удерживать плазму так, чтобы реакция могла продолжаться. Это отличает энергетическую установку от кратковременного выделения энергии.

Как это устроено

Одинаково заряженные ядра отталкиваются, поэтому при малой скорости они не сближаются настолько, чтобы сработали ядерные силы. Нагрев увеличивает среднюю скорость движения частиц и энергию их столкновений. Тогда вероятность преодолеть кулоновский барьер возрастает, но не каждое столкновение обязательно приводит к синтезу. Требуются также достаточная плотность топлива и время, в течение которого оно остаётся горячим.

Когда лёгкие ядра соединяются, образуется ядро с большей массой, чем у каждого из них по отдельности. Однако его масса может оказаться меньше суммарной массы исходных ядер и других продуктов реакции. Разность этих масс называют дефектом массы. Согласно формуле E = Δmc², она переходит в энергию, которую уносят продукты реакции.

В недрах звёзд вещество нагрето до чрезвычайно высокой температуры и находится под большим давлением. Частицы движутся быстро, а высокая плотность повышает вероятность их столкновений и слияния. Энергия реакций передаётся веществу и излучается звездой, поэтому она поддерживает светимость звезды. Без постоянного выделения энергии звезда постепенно теряла бы энергию излучения.

На Земле трудно получить условия, похожие на звёздные: разогретое топливо нужно изолировать от холодного вещества вокруг. Поэтому его удерживают в виде горячей плазмы, например магнитным полем, не давая ей коснуться стенок камеры. При этом температура, плотность и длительность удержания должны совместно обеспечивать достаточно частые реакции. Чтобы процесс был полезен для энергетики, выделяемая энергия должна компенсировать затраты и поддерживать условия синтеза.

При делении исходным служит тяжёлое ядро, которое распадается на более лёгкие фрагменты, а при термоядерном синтезе соединяются лёгкие ядра. Это разные способы изменения состава ядра, хотя в обоих случаях энергия может выделяться из-за уменьшения суммарной массы продуктов. Синтез требует очень высокой температуры, поскольку исходные ядра электрически отталкиваются. Для деления условия запуска и поддержания процесса другие.

Сравнение деления тяжёлых ядер и термоядерного синтеза

Сначала сравните строки о ядрах и их изменении: они показывают, в какую сторону преобразуется вещество. Затем сопоставьте условия — именно они объясняют, почему синтез трудно осуществить на Земле. Последняя строка помогает связать процессы с примерами из природы и техники.

Разбор задач

Синтез дейтерия и трития

Запишите реакцию дейтерия и трития с образованием ядра гелия и нейтрона. Нужно определить, какие частицы вступают в реакцию и какие образуются. У дейтерия массовое число 2, у трития — 3; зарядовое число обоих ядер равно 1. В ядерном уравнении должны сохраняться суммарные массовое и зарядовое числа.

1. Обозначьте ядра исходных изотопов: ²₁H и ³₁H. Индексы сверху показывают массовое число, а снизу — зарядовое число.
2. Укажите продукты реакции: ядро гелия ⁴₂He и нейтрон ¹₀n. Нейтрон не имеет электрического заряда.
3. Проверьте сохранение массового числа: 2 + 3 = 4 + 1. Проверьте заряд: 1 + 1 = 2 + 0.

Получаем уравнение ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n. В реакцию вступают ядра дейтерия и трития, а образуются ядро гелия и нейтрон. Проверка обоих законов сохранения подтверждает правильность записи.

Дефект массы и энергия

Суммарная масса исходных ядер равна 5,030 а.е.м., а продуктов — 5,011 а.е.м. Требуется найти дефект массы и энергию реакции по формуле E = Δmc². Поскольку энергия выделяется, масса продуктов должна быть меньше исходной. Для перевода удобно использовать 1 а.е.м. ≈ 931,5 МэВ/c².

1. Вычислите разность масс: Δm = 5,030 − 5,011 = 0,019 а.е.м.
2. Переведите дефект массы в энергию: E ≈ 0,019 × 931,5 МэВ ≈ 17,7 МэВ.
3. Если нужна энергия в джоулях, используйте 1 МэВ ≈ 1,602 × 10⁻¹³ Дж. Тогда E ≈ 2,84 × 10⁻¹² Дж.

Ответ: дефект массы равен 0,019 а.е.м., выделившаяся энергия — примерно 17,7 МэВ, или 2,8 × 10⁻¹² Дж. Разность масс берут как массу исходных частиц минус массу продуктов. Так результат получается положительным для реакции с выделением энергии.

Зачем нагревать топливо

Вопрос: почему синтез дейтерия и трития требует чрезвычайно высокой температуры, если продукты имеют меньшую суммарную массу? Здесь нужно разделить причину запуска реакции и источник выделившейся энергии. Эти явления связаны, но отвечают на разные вопросы. Нельзя считать, что уменьшение массы само по себе заставляет ядра столкнуться.

1. Ядра дейтерия и трития положительно заряжены, поэтому отталкиваются. При высокой температуре они движутся быстрее, и часть столкновений позволяет преодолеть кулоновский барьер.
2. Если ядра сблизились достаточно, могут подействовать ядерные силы и произойдёт слияние. Нагрев повышает вероятность этого события, но для поддержания реакции нужны также подходящие условия удержания и плотности.
3. После реакции масса продуктов оказывается меньше исходной суммарной массы. Именно эта разность превращается в энергию по формуле E = Δmc².

Ответ: высокая температура помогает ядрам преодолеть электрическое отталкивание и сблизиться, а меньшая масса продуктов объясняет выделение энергии уже после реакции. Это два разных этапа объяснения синтеза. Уменьшение массы не заменяет необходимости нагреть и удержать топливо.

Типичные ошибки

Считать, что высокая температура сама по себе вызывает слияние ядер, — неверно. Её роль в том, что быстрые частицы чаще и энергичнее сталкиваются, повышая вероятность сближения. Ошибку допускают, связывая нагрев напрямую с гарантированным результатом. Проверьте себя: можете ли вы назвать также роль плотности и времени удержания плазмы?

Путать термоядерный синтез с делением ядра — значит смешивать противоположные изменения ядер. Синтез соединяет лёгкие ядра, деление расщепляет тяжёлое. Путаница возникает потому, что оба процесса могут выделять энергию. Чтобы проверить ответ, укажите исходные ядра и опишите, что с ними происходит.

Объяснять выделение энергии тем, что масса продуктов больше, — ошибка в знаке. При выделении энергии суммарная масса продуктов меньше массы исходных частиц, а разность превращается в энергию. Иногда массу путают с количеством образовавшихся частиц. Проверьте расчёт: Δm = m исходных частиц − m продуктов должна быть положительной.

Называть плазму обычным газом — неточно: плазма ионизована и содержит свободные заряженные частицы. Ошибка понятна, потому что оба состояния вещества могут заполнять сосуд. Но именно заряженность частиц позволяет удерживать плазму магнитным полем. Проверьте себя: есть ли в вашем определении свободные электроны и положительные ионы?

Связь с другими темами

Для понимания синтеза нужны знания о строении атомного ядра, заряде ядра и изотопах, а также закон сохранения электрического заряда и массового числа. Эти законы позволяют правильно составлять ядерные уравнения. Дефект массы связывает тему с формулой E = mc²: по ней оценивают энергию реакции. Позже эти идеи пригодятся при изучении источников энергии звёзд, ядерной энергетики и способов получения управляемого термоядерного синтеза.

Что запомнить

• Термоядерная реакция — слияние лёгких ядер.
• Положительно заряженные ядра отталкиваются.
• Высокая температура помогает ядрам преодолеть кулоновский барьер.
• При синтезе часть массы превращается в энергию.
• В звёздах термоядерные реакции служат источником энергии.
• Для управляемого синтеза необходимо удерживать горячую плазму.