"Физика", Перышкин А.В., Гутник Е.М.
Термоядерная реакция — это слияние лёгких атомных ядер при очень высокой температуре. При таком синтезе образуется более тяжёлое ядро, а часть массы превращается в большое количество энергии. Реакции этого типа происходят в недрах звёзд и могут стать основой энергетики будущего. Для получения энергии на Земле нужно нагреть плазму до десятков миллионов градусов, удержать её и обеспечить достаточную плотность частиц.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Термоядерная реакция — слияние лёгких атомных ядер при очень высокой температуре, сопровождающееся выделением энергии. Такое определение сразу показывает главное отличие реакции от обычных химических превращений: изменяются атомные ядра, а не только электронные оболочки. Термин нужен, чтобы описывать процессы, происходящие в звёздах и в специальных установках.
Ядерный синтез — объединение лёгких ядер в более тяжёлое ядро. Например, ядра дейтерия и трития могут превратиться в ядро гелия. Понятие «синтез» помогает не путать этот процесс с делением тяжёлого ядра на части.
Плазма — ионизированный газ, состоящий из свободных электронов и атомных ядер. При очень высокой температуре атомы теряют электроны, поэтому плазма хорошо взаимодействует с электрическими и магнитными полями. Именно в состоянии плазмы вещество находится во время термоядерной реакции.
Управляемая термоядерная реакция — осуществление синтеза ядер с контролем температуры, плотности плазмы и выделяемой энергии. Управление необходимо, чтобы реакция не прекращалась слишком быстро и не повреждала установку. Целью является получение полезной энергии, а не только кратковременное возникновение синтеза.
Ядра атомов имеют положительный заряд, поэтому при сближении электрически отталкиваются. Чтобы ядерные силы смогли начать действовать, ядра должны подойти друг к другу на очень малое расстояние. Огромная температура увеличивает скорость теплового движения частиц: отдельные ядра получают достаточно энергии, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание и столкнуться.
После сближения ядерные силы связывают частицы сильнее, чем они были связаны в исходных ядрах. Новое ядро оказывается более устойчивым, а его масса немного меньше суммы масс исходных ядер. Эта разность называется дефектом массы и превращается в энергию по формуле E = mc², где c — скорость света, поэтому даже малая масса даёт значительный энергетический эффект.
Наиболее перспективна реакция дейтерия и трития — изотопов водорода. При их слиянии образуются ядро гелия и нейтрон: ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + E. Такой выбор выгоден потому, что эта реакция начинается при более доступной температуре и выделяет много энергии, а дейтерий встречается в воде; тритий можно получать из лития.
Для реакции недостаточно просто нагреть вещество. Температура должна достигать десятков миллионов градусов, чтобы столкновения ядер стали достаточно энергичными, плотность плазмы должна обеспечивать частые встречи частиц, а время удержания — дать реакции продолжиться. Эти три условия связаны: слишком разреженная плазма или слишком короткое удержание не позволят получить заметный выход энергии.
Магнитное поле удерживает плазму потому, что электроны и ядра движутся по искривлённым траекториям вокруг линий поля. Так горячее вещество можно изолировать от стенок, которые иначе мгновенно расплавились бы. Создание реактора сложно: нужно точно управлять неустойчивой плазмой, выдерживать поток нейтронов и добиться, чтобы полученная энергия превышала затраты на нагрев и удержание.
| Свойство | Деление тяжёлых ядер | Термоядерный синтез |
|---|---|---|
| Исходные ядра | Тяжёлые ядра, например уран | Лёгкие ядра водорода, например дейтерий и тритий |
В таблице сравнивается главное различие исходных частиц и самого направления ядерного превращения. При делении одно тяжёлое ядро распадается, а при синтезе лёгкие ядра объединяются. Пользуясь таблицей, сначала определяйте исходные ядра, а затем спрашивайте, распадаются они или сливаются.
Условие: запишите реакцию синтеза дейтерия и трития с образованием ядра гелия и нейтрона и определите продукты реакции. Нужно учесть состав каждого ядра и проверить сохранение зарядового и массового чисел. Продуктами считаются частицы, записанные справа от стрелки.
Ответ: продукты реакции — ядро гелия и нейтрон; выделяется энергия.
Условие: дефект массы равен 0,030 а.е.м. Найдите выделившуюся энергию. Сначала нужно перевести атомные единицы массы в килограммы, затем применить E = mc².
Ответ: выделившаяся энергия примерно равна 4,5 · 10⁻¹² Дж.
Условие: сравните энергию синтеза заданного числа ядер дейтерия и трития с энергией сгорания топлива той же массы. Численное сравнение возможно, если известны число реакций, энергия одной реакции и удельная химическая теплота сгорания. Поэтому решение строится через два отдельных расчёта.
Ответ: ядерная энергия для той же массы топлива обычно намного больше химической, поскольку в реакции изменяется энергия связи ядер, а не только электронных оболочек.
Ошибка 1. Считать, что ядра самопроизвольно сливаются при любой температуре. Так думают, забывая об электрическом отталкивании положительных зарядов. Проверьте себя: объясните, какая энергия помогает ядрам приблизиться.
Ошибка 2. Путать синтез с делением ядра. Причина — оба процесса являются ядерными и сопровождаются выделением энергии, но в одном случае лёгкие ядра объединяются, а в другом тяжёлое распадается. Проверьте направление превращения и число исходных частиц.
Ошибка 3. Забывать нейтрон в реакции дейтерия и трития. Без него массовые числа слева и справа не совпадут, хотя зарядовые числа могут выглядеть правильными. Всегда проверяйте отдельно сохранение заряда и массового числа.
Ошибка 4. Считать, что одной высокой температуры достаточно. Плазма может быть горячей, но слишком разреженной или удерживаться слишком короткое время. Проверьте наличие всех трёх условий: температуры, плотности и времени удержания.
До изучения темы нужны знания о строении атомного ядра, изотопах и ядерных реакциях. Также пригодятся понятия дефекта массы и формула E = mc². Без них трудно объяснить источник энергии синтеза.
Тема связана с электричеством и магнетизмом. Заряженные частицы плазмы изменяют движение в магнитном поле, поэтому физики используют его для удержания горячего вещества. Это пример применения законов движения частиц в полях.
Дальше знания пригодятся при объяснении источников энергии звёзд и принципов работы термоядерных установок. Они помогают оценивать перспективы энергетики и сравнивать ядерные процессы с химическим горением.
Почему термоядерная реакция требует такой высокой температуры?
Ядра атомов имеют положительный электрический заряд и отталкиваются. Высокая температура увеличивает скорость их движения, поэтому частицы получают возможность приблизиться настолько, чтобы начали действовать ядерные силы.
Чем термоядерный синтез отличается от ядерного деления?
При термоядерном синтезе несколько лёгких ядер объединяются в одно более тяжёлое. При ядерном делении тяжёлое ядро, например урана, распадается на более лёгкие ядра.
Почему при слиянии ядер выделяется энергия?
После слияния образуется более прочно связанное ядро. Его масса немного меньше суммы масс исходных ядер, а разность масс превращается в энергию по формуле E = mc².
Как удаётся удерживать плазму, если её температура достигает десятков миллионов градусов?
Плазма состоит из заряженных частиц, поэтому на неё можно воздействовать магнитным полем. Специальная конфигурация поля заставляет частицы двигаться внутри ограниченной области и не касаться стенок установки.
Почему управляемую термоядерную реакцию пока трудно использовать для производства энергии?
Нужно одновременно получить огромную температуру, достаточную плотность плазмы и удерживать её достаточно долго. Установка должна вырабатывать больше энергии, чем тратится на нагрев и управление плазмой, а материалы должны выдерживать сильное излучение и поток быстрых частиц.
§ 62 Термоядерная реакция
