Фізіка. 11 клас

У нетрах зорак, якія свецяцца (у тым ліку і Сонца), «бушуюць» ядзерныя рэакцыі сінтэзу, якія прыводзяць да вылучэння энергіі з іх паверхні ў выглядзе выпраменьвання. Энергетычная праблема будучыні на нашай планеце (з улікам абмежаванасці запасаў вугалю, нафты і газу) можа быць вырашана за кошт стварэння кіруемай рэакцыі тэрмаядзернага сінтэзу, у якой будуць скарыстаны воды Сусветнага акіяна.

Нягледзячы на тое што атамныя электрастанцыі экалагічна больш чыстыя ў параўнанні з цеплавымі электрастанцыямі, у ядзернай энер­гетыкі ёсць істотныя недахопы. Па-першае, радыеактыўныя элементы (уран і торый) складаюць  па масе ў зямной кары і іх здабыча ўсё больш ускладняецца. Па-другое, што рабіць з радыеактыўнымі адходамі, колькасць якіх увесь час нарастае?

Гэтых недахопаў можна пазбегнуць, калі для атрымання энергіі выкарыстоўваць не рэакцыі дзялення цяжкіх ядзер, а рэакцыі сінтэзу лёгкіх ядзер.

Гэтыя рэакцыі эфектыўна працякаюць пры звышвысокіх тэмпературах T ~ 10⁹ K і самападтрымліваюцца за кошт значнага вылучэння ў іх энергіі. Такія рэакцыі называюцца тэрмаядзернымі. Прычына вылучэння энергіі тая ж, што і ў выпадку рэакцый дзялення — удзельная энергія сувязі прадуктаў рэакцыі вышэйшая, чым у зыходных матэрыялаў. 

Энергія спакою двух лёгкіх ядзер большая, чым ва ўтворанага з іх выніковага ядра. Паколькі выніковае ядро мае меншую масу, то пры яго ўтварэнні павінна вызваляцца энергія 

Найпрасцейшым прыкладам тэрмаядзернай рэакцыі з’яўляецца пераўтварэнне дэйтэрыю  у гелій :

Масавы лік ядра дэйтэрыю  , масавы лік ядра гелію   У выніку рэакцыі сінтэзу дэфект мас: 

Гэта складае 0,63 % агульнай масы ядзер вадароду. У той час як пры дзяленні ўрану дэфект мас скдадае 0,056 %. Такім чынам, для адной і той жа масы рэчыва пры ядзерным сінтэзе вылучаецца прыкладна ў 10 разоў больш энергіі, чым пры дзяленні ядра. Калі б гэты працэс атрымалася выкарыстаць для вытворчасці энергіі, то ён апынуўся б у 10 раз больш эфектыўным за працэс дзялення ўрану. 

Асноўная перавага выкарыстання ядзернага сінтэзу для атрымання энергіі заключаецца, перш за ўсё, у колькасці запасаў паліва. Для чалавецтва было б вельмі зручна, калі б для рэакцыі сінтэзу патрабаваўся найбольш часта сустракаемы ізатоп вадароду  Аднак для рэакцыі сінтэзу яго неабходна нагрэць да велізарнай тэмпературы. Дэйтэрый  уступае ў рэакцыю сінтэзу пры больш нізкай тэмпературы, чым ізатоп вадароду  а трытый  яшчэ пры больш нізкай тэмпературы. Але паколькі  трытый   нестабільны, то ў якасці асноўнага ядзернага паліва застаецца толькі дэйтэрый .

У Сусветным акіяне з 7000 атамаў вадароду толькі адзін з’яўляецца дэйтэрыем . Значыць, запасы дэйтэрыю ў ім складаюць 80 000 км³. У выніку рэакцыі сінтэзу вадароду, які змяшчаецца ў 1 л вады, вылучаецца столькі ж энергіі, колькі вылучаецца пры згаранні 300 л бензіну. Такім чынам, з дэйтэрыю, які змяшчаецца ў акіяне, можна атрымаць cтолькі энергіі, колькі вылучаецца пры згаранні бензіну, аб’ём якога перавышае аб’ём зямнога шара, г. зн. яго запасы практычна невычэрпныя. Акрамя таго, пры рэакцыях сінтэзу фактычна не ўтвараюцца радыеактыўныя адходы.

Аднак сур’ёзнай перашкодай на шляху да атрымання энергіі з’яўляецца кулонаўскае адштурхванне ядзер дэйтэрыю, якое пры пакаёвай тэмпературы не дазваляе ім зблізіцца да адлегласцей, на якіх узнікаюць караткадзеючыя ядзерныя сілы прыцягнення. Для пера­адолення сіл адштурхвання неабходна нагрэць дэйтэрый  да вельмі высокіх тэмператур Т ~ 10⁹ K, пры якіх магчымы рэакцыі сінтэзу. Гэта з’яўляецца істотнай перашкодай для шырокага ўжывання рэакцый
ядзернага сінтэзу ў энергетыцы. Гэта тэмпература нашмат вышэйшая за тэмпературу ўнутры Сонца (Т ~ 10⁷ K). Тэрмаядзерная рэакцыя адбываецца і ў іншых зорках. У іх ёсць адна істотная перавага: дзякуючы каласальным масам і памерам у іх аптымальна рашаецца праблема гравітацыйнага ўтрымання і тэрмаізаляцыі рэчыва, якое ўяўляе сабой плазму.

Асноўнай крыніцай энергіі Сонца з’яўляюцца рэакцыі, якія прыво­дзяць да ператварэння чатырох пратонаў у ядро гелію   з вылучэннем 26,72 МэВ энергіі:

У прыродных умовах такія рэакцыі працякаюць толькі ў нетрах зорак, а для ажыццяўлення іх на Зямлі неабходна моцна разагрэць рэчыва або ядзерным выбухам, або магутным газавым разрадам, або гіганцкім імпульсам лазернага выпраменьвання, або бамбардзіроўкай інтэнсіўным пучком часціц.

Для кіравання рэакцыямі сінтэзу неабходна стварыць тэрмаядзерны рэактар. Найбольш верагодна ажыццяўленне такога рэактара на наступных ядзерных рэакцыях сінтэзу:

,

(1)

,

(2)

,

(3)

.

(4)

Найбольш даступнай з рэакцый сінтэзу (па абсягу неабходных
тэмператур) і энергетычна выгаднай з’яўляецца рэакцыя (1) паміж ядрамі дэйтэрыю і трытыю. Пры гэтым на адзін нуклон вылучаецца 3,5 МэВ, а пры рэакцыях дзялення — 1 МэВ. Для таго каб дэйтэрый мог пранікнуць да ядра трытыю, яму неабходна мець энергію парадку 1 МэВ. Разлічым тэмпературу, якую павінна мець часціца, каб мець такую энергію.

Сярэдняя кінетычная энергія часціцы ў газе  тады 

Пры такой тэмпературы рэчыва амаль кожнае сутыкненне часціц прыводзіла б да ядзернай рэакцыі, аднак на Зямлі такія ўмовы недасяжныя.

У праблеме тэрмаядзернага сінтэзу ёсць яшчэ адно пытанне: дзе ўзяць трытый? Трытый у прыродзе ўтрымліваецца ў нязначнай колькасці. Ён утвараецца ў верхніх пластах атмасферы пры сутыкненні касмічных часціц з атамамі азоту. Але яго можна атрымліваць у ядзерных рэактарах пры апраменьванні  нейтронамі. Ён можа быць атрыманы ў самім тэрмаядзерным рэактары, калі выкарыстаць магутныя патокі нейтронаў:

.

Дэйтэрый прысутнічае ў прыродным вадародзе, і яго можна атрымаць, падзяляючы ізатопы вадароду. Запасы дэйтэрыю ў Сусветным акіяне велізарныя, на шматлікія тысячы гадоў хопіць таксама запасаў літыю, неабходнага для вытворчасці іншага ізатопа — трытыю.

Для практычнага кіравання тэрмаядзернымі рэакцыямі найважнейшым з’яўляецца стварэнне такіх умоў, пры якіх высокатэмпературная плазма з дапамогай магнітных палёў устойліва ўтрымліваецца ў стане цеплаізаляцыі. Для гэтай мэты выкарыстоўваюцца магнітныя камеры. Асноўнымі відамі страт з’яўляюцца цеплата, якая сыходзіць праз сценкі рэактара, і тармазное выпраменьванне ў плазме.

Да пераваг выкарыстання рэакцый сінтэзу для атрымання энергіі адносяцца:

1) высокі выхад энергіі;

2) экалагічная бяспека рэактара;

3) адсутнасць праблемы пахавання радыеактыўных адходаў. 

Ажыццявіць кіруемую тэрмаядзерную рэакцыю ў прамысловых маштабах, г. зн. дамагчыся энергетычнага выхаду, які перавышае выдаткі, пакуль не атрымалася.

На Зямлі ў наш час змаглі ажыццявіць толькі некіруемую тэрмаядзерную рэакцыю сінтэзу пры выбуху вадароднай бомбы. Трэба адзначыць, што спачатку ў вадароднай бомбе выбухае змешчаная ўнутры яе атамная бомба. У выніку адбываецца рэзкі рост тэмпературы да значэнняў (10 - 20)·106 К, пры гэтым узнікае паток нейтронаў і электрамагнітнага выпраменьвання. Нейтроны ўступаюць у рэакцыю з ізатопам літыю, што знаходзіцца ў бомбе, з утварэннем трытыю:

.

Павышэнне тэмпературы да неабходнага значэння разам з утвораным трытыем прыводзіць да тэрмаядзернай рэакцыі:

.

Асноўная частка энергіі (70 %) адносіцца хуткімі нейтронамі і ядрамі атамаў гелію (20 %).