Глоссарий по физике

Термоядерные реакции

Термоядерные реакции - ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (10⁷-10⁸ К). T. р.- основной (хотя и не единственный) тип процессов, в которых ядрам, испытывающим взаимное кулоновское отталкивание, удаётся, преодолев соответствующий электростатический барьер (рис. 1), сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и, провалившись в образуемую ими глубокую потенц. яму, совершить ту или иную экзоэнергетич. (т. е. сопровождающуюся выделением энергии) ядерную перестройку. Под "выделением энергии" подразумевается выделение в продуктах реакции избыточной кинетич. энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. T. о., относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в ср. части периодич. системы Менделеева, то наиб, типичным механизмом экзоэнергетич. реакции является с л и ян и е (с и н т е з) легчайших ядер в более тяжёлые. Вместе с тем существуют и экзоэнергетич. р е а к ц и и д е л е н и я лёгких ядер, напр. благодаря особой прочности ядра ⁴He возможна реакция ¹¹В + р->3⁴Не + 8,7МэВ.

Рис. 1. Потенциальная энергия межъядерного взаимодействия как функция расстояния между ядрами; - относительная энергия ядер, отвечающая глубоко под-барьерному прохождению. Штриховкой показано "срезание" барьера отталкивания на боровском радиусе a_m отрицательного мюона в кулоновском поле одного из сталкивающихся ядер, лежащее в основе явления m-катализа.

Ниже, для краткости, все охарактеризованные выше процессы именуются реакциями ядерного синтеза (ЯС).

По механизму преодоления кулоновского барьера реакции ЯС можно разделить на два осн. класса: А - реакции при неискажённом барьере, требующие для своего протекания достаточно большой относит. энергии сталкивающихся ядер, к-рая сообщается им в результате ускорения или сильного разогрева; Б-реакции т. н. холодного синтеза, к-рые становятся возможными в результате сильного искажения самого барьера - прежде всего его сужения благодаря "срезанию" внешней, наиб. широкой части.

Реакции класса А могут реализоваться либо в нек-ром ускорителе (реакция ЯС на мишени; возможен также случай "микроускорителя", см. ниже), либо в высокотемпературной плазме звёздных недр, ядерного взрыва, мощного газового разряда или в плазме вещества, разогретого гигантским импульсом лазерного излучения, бомбардировкой интенсивным пучком частиц и т. п.; именно в последнем круге явлений реакции ЯС сводятся к собственно T. р.

Реакции класса Б являются следствием таких физически разнородных явлений, как: 1) смятие кулоновского барьера колоссальным давлением в недрах плотных звёзд (r>>10⁴ г/см³) - случай т.н. пикноядерных реакций [3]; 2) прямое кулоновское экранирование поля дейтрона или протона захваченным на боровскую орбиту отрицат. мю-оном (рис. 1) - случай т. н. мюонного катализа.

Существуют и такие реакции ЯС, сама принадлежность к-рых к классу А или Б пока совершенно неясна. Это относится, в частности, к сенсационным экспериментам Флейшмана - Понса (США, 1989, т. н. холодный синтез), в к-рых реакции ЯС наблюдались при электролитич. насыщении дейтерием кристаллич. решётки палладия (а затем титана и др.). Физически более интересным и практически крайне заманчивым механизмом ЯС здесь явилась бы взаимная кулоновская экранировка дейтронов в результате каких-то весьма нетривиальных квантово-механич. эффектов (класс Б), однако более вероятным механизмом представляется всё же ускорение дейтронов в электрич. полях, возникающих в микротрещинах решётки при электролизе или при внедрении в неё дейтронов из газовой среды под давлением (класс А) [11].

Непреходящий интерес к реакциям ЯС, и прежде всего к T. р., связан с тем, что они являются: 1) гл. источником энергии Солнца и звёзд, а также механизмом дозвёзд-ных и звёздных процессов синтеза атомных ядер хим. элементов; 2) одной из физ. основ ядерного взрыва и (тер-мо)ядерного оружия; 3) основой управляемого термоядерного синтеза (УТС)- экономически и экологически перспективного направления энергетики будущего.

Скорости T. р. Для ряда экзоэнергетич. ядерных реакций, представляющих интерес в проблеме УТС, в табл. приведены значения энерговыделения и макс. эфф. сечения s_макс. На рис. 2 приведены зависимости s от энергии налетающей частицы (в ф-лах реакций - первая слева).

Табл.- Экзоэнергетические реакции между лёгкими ядрами

p-протон, d-дейтрон (ядро дейтерия ²H), t - тритон (ядро трития H), n - нейтрон, е⁺-позитрон, v - нейтрино, g - фотон. Распределение энерговыделения между продуктами реакции обычно обратно пропорционально их массам.

При интерпретации этих данных, и в частности большого разброса значений s_макс, следует иметь в виду, что сечение любой из реакций есть, грубо говоря, произведение сечения прохождения сквозь кулоновск. барьер и вероятности последующего, собственно ядерн., превращения.

Рис. 2. Сечения реакций ядерного синтеза в зависимости от энергии налетающей частицы (в табл. - слева). Кривая 1-реакция 7; 2 - реакция 10; 3 - реакция 4 и 5; 4 -реакция d + ⁶Li⁷Ве + n + 3,4 МэВ; 5-реакция 15; 6-реакция 16; 7-реакция 9.

Первый, "кулоновский", сомножитель по своей физ. природе универсален для всех T. р. Поскольку высота барьера (Z_1e, Z_2e - заряды ядер, R -сумма их "радиусов") даже для комбинации ядер с наименьшими Z₁ = Z₂ = 1, напр. d + d, составляет ~200 кэВ [тогда как для плазмы звёздных недр или совр. направлений УТС наиб. типичны температуры ~(10⁷-10⁸) К, т. е. ср. энергии частиц ~(1 -10) кэВ], преодоление барьера носит, как правило, характер туннельного, притом глубоко под-барьерного прохождения (см. Туннельный эффект). Вероятность туннельного прохождения может быть описана предельной (для , где -относит. энергия сталкивающихся ядер) формой известной гамовской экспоненты, а именно: , где -относит. скорость ядер, m = т₁т₂/(т₁+т₂)- их приведённая масса. (Эта простая зависимость становится неадекватной в тех, ныне нередких для УТС случаях, когда T. р. происходят не только "тепловым", подбарьерным образом, но и в результате столкновений ядер плазмы как мишеней с ядрами инжектируемого пучка, энергия к-рых .)

Второй, "ядерный", сомножитель, определяющий осн. масштаб сечения T. р., напротив, специфичен для каждой конкретной T. р. В частности, для реакций с образованием наиб. сильно связанного ядра ⁴He он велик и обычно резонансно зависит от энергии (это относится, напр., к важнейшим для УТС реакциям 7 и 10 и к одной из гипотетически перспективных "чистых", т. е. безнейтронных, реакций - реакции 20). Для реакций, обусловленных слабым взаимодействием, он чрезвычайно мал; так, фундаментальная для энерговыделения Солнца реакция 1 непосредственно (в лаборатории) вообще не наблюдалась.

Зависимость интенсивности T. р. от плотности плазмы определяется тем, что они происходят в результате парных столкновений между ядрами. Число реакций в единице объёма в единицу времени равно n₁n₂<us(u)>, где n₁, n₂ - концентрации ядер сортов 1 и 2 (если ядра одного сорта, то произведение п₁п₂ следует заменить на (1/2)n²); угл. скобками обозначено усреднение по распределению относит. скоростей u, в дальнейшем принимаемому макс-велловским (см. Максвелла распределение).

Зависимость интенсивности T. р. от температуры определяется "скоростным" множителем <us(u)>. В области "не очень высоких" температур T<=(10⁷-10⁸) К и в отсутствие резонанса в сечении реакции имеем и тогда <us(u)> может быть приближённо выражено в форме, универсальной для всех нерезонансных T. р. Для этого достаточно использовать относительную узость максимума при u = u_макс, образуемого в <us(u)> произведением двух экспонент - гамовской и максвелловской, ехр( - mu²/2kT). В результате имеем

где const - постоянная, характерная для данной T. р. Эта ф-ла справедлива лишь при больших (>>1) значениях показателя экспоненты.

Полученная температурная зависимость скорости T. р., <us(u)>ехр(-const/T^1/3), сама по себе достаточно сильная, всё же не столь резка, как, напр., типичная температурная зависимость exp( -const/ T)скорости хим. реакций, благодаря чему, собственно, только и могут T. р. эффективно протекать уже при темп-pax kT, в десятки раз ниже высоты кулоновского барьера . Причина такого рода "облегчённой" (в относит. масштабе /kT)проницаемости кулоновского барьера по сравнению с "химическим" барьером активации состоит в том, что первый имеет сильно скошенную (рис. 1), а второй - почти вертикальную форму.

Для звёзд-гигантов с плотными, выгоревшими (по содержанию H) ядрами (см. Эволюция звёзд)существенны гелиевый и неоновый циклы T. р.; они протекают при значительно более высоких темп-pax и плотностях, чем рр-и CN-циклы. Осн. реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с T200 млн. К, является т.н. п р о ц е с с С о л п и т е-р а (3a-реакция): 3⁴He¹²С + g₁+g₂ + 7,3 МэВ (процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро ⁸Be). Далее могут следовать реакции ¹²С+ ⁴He¹⁶O+ g, ¹⁶О+ ⁴He Ne+ g; в этом состоит один из механизмов нуклеосинтеза. Интересно, что сама возможность процесса Солпитера, а тем самым и нуклеосинтеза большинства элементов (предпосылка возникновения всех форм жизни!), связана с таким случайным (?) обстоятельством, как большая "острота" резонанса в зависимости s (u)для ядерной реакции 3⁴He¹²C, обеспечиваемая, в свою очередь, наличием подходящего дискретного уровня у ядра ⁸Be.

Если продукты реакции гелиевого цикла вступят в контакт с H, то осуществляется неоновый (Ne - Na) цикл, в к-ром ядро ²⁰Ne играет роль катализатора для процесса сгорания H в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу, только ядра ¹²С, ¹³N, ¹³C, ¹⁴N, ¹⁵O, ¹⁵N заменяются соответствующими ядрами ²⁰Ne, ²¹Na, ²¹Ne, ²²Na, ²³Mg, ²³Na. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Однако он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеосинтеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (²¹Ne) может служить источником нейтронов: ²¹Ne+ ⁴He ⁴Mg +n (аналогичную роль может играть и ядро ¹³C, участвующее в CN-цикле). Последующий "цепной" захват нейтронов, чередующийся с процессами b-распада, является механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер.

Cp. интенсивность энерговыделения e в типичных звёздных T. р. по земным масштабам ничтожна; так, для Солнца (в ср. на 1 г солнечной массы) e = 2 эрг/с · г. Это гораздо меньше, напр., скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена веществ, а обычная электрич. лампочка по мощности эквивалентна многим тоннам солнечного вещества. Однако вследствие огромной массы Солнца (2^.10³³г) полная излучаемая им мощность (4^.10²⁶Bт) столь велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца ~ на 4 млн. т), что даже ничтожной её доли достаточно, чтобы оказывать решающее влияние на энергетич. баланс земной поверхности, жизни и т. д.

Благодаря колоссальным размерам и массам Солнца и звёзд, в них идеально решается проблема удержания (в данном случае гравитационного) и термоизоляции плазмы: T. р. протекают в горячем ядре звезды, а теплоотдача происходит с удалённой от ядра и гораздо более холодной поверхности. Только поэтому звёзды могут эффективно генерировать энергию в таких медленных процессах, как рр- и CN-циклы. В земных условиях эти процессы практически неосуществимы.

T. р. в земных условиях. На Земле имеет смысл использовать лишь наиб. эффективные T. р., прежде всего связанные с участием дейтерия, трития и гелия-3. Подобные T. р. в крупных масштабах осуществлены пока только в ис-пытат. взрывах термоядерных, или водородных, бомб [4]. Схема реакций в термоядерной бомбе включает T. р. 12, 7, 4 и 5 (табл.), но, в принципе, возможны и другие T. р., напр. реакции 16, 14, 3.

Использованием T. р. в мирных целях может явиться УТС, с к-рым связывают надежды на решение энергетич. проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешёвого горючего для управляемых T. р. Для УТС наиб. важны T. р. 7, 5 и 4 (а также реакция 12 для регенерации дорогостоящего трития). По экологическим соображениям всё большее внимание привлекают к себе и "чистые" (т. н. малорадиоактивные) T. р., не дающие нейтронов, напр. реакции 20 и особенно 10 (табл.).

Литература по термоядерным реакциям

1. Проблемы современной физики, в. 1, M., 1954;
2. Гольданский В. И., Лейкин E. M., Превращения атомных ядер, M., 1958;
3. Harrison E. R., Thermonuclear and pycnonuclear reactions, "Proc. Phys. Soc.", 1964, v. 84, pt. 2, p. 213;
4. Ритус В. И., "Если не я, то кто?", "Природа", 1990, № 8, с. 10;
5. Романов Ю. А., Отец советской водородной бомбы, там же, с. 20;
6. Роуз Д. Дж., Кларк M., Физика плазмы и управляемые термоядерные реакции, пер. с англ., M., 1963;
7. Козлов Б. H., Скорости термоядерных реакций, "Атомная энергия", 1962, т. 12, в. 3, с. 238;
8. Fowler W. А., Caughlan G. R., Zimmerman B. А., Thermonuclear reaction d rates 2, "Ann. Rev. Astron. and Astrophys.", 1975, v. 13, p. 69;
9. Коган В., Лисица В. С., Радиационные процессы в плазме, в сб.: Итоги науки и техники, сер. Физика плазмы, под ред. В. Д. Шафранова, т. 4, M., 1983;
10. Франк-Каменецкий Д. А., Физические процессы внутри звезд, M., 1959;
11. Ядерная астрофизика, под ред. Ч. Барнса, Д. Клейтона, Д. Шрамма, пер. с англ., M., 1986;
12. Царев В. А., Низкотемпературный ядерный синтез, "УФН", 1990, т. 160, в. 11, с. 1.

В. И. Коган

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА Рыцари теории эфира

10.11.2021 - 12:37: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от д.м.н. Александра Алексеевича Редько - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:35: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вадима Глогера, США - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> Волновая генетика Петра Гаряева, 5G-контроль и управление - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:16: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:15: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Екатерины Коваленко - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вильгельма Варкентина - Карим_Хайдаров.