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

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Термоядерные реакции

Термоядерные реакции - ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (5019-21.jpg107-108 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.

5019-22.jpg

5019-23.jpg

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 am 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 sмакс. На рис. 2 приведены зависимости s от энергии налетающей частицы (в ф-лах реакций - первая слева).

Табл.- Экзоэнергетические реакции между лёгкими ядрами

5019-24.jpg

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 sмакс, следует иметь в виду, что сечение любой из реакций есть, грубо говоря, произведение сечения прохождения сквозь кулоновск. барьер и вероятности последующего, собственно ядерн., превращения.


5019-26.jpg

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 + 6Li5019-25.jpg7Ве + 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 5019-27.jpg (Z1e, Z2e - 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 5019-28.jpg , где 5019-29.jpg-относит. энергия сталкивающихся ядер) формой известной гамовской экспоненты, а именно: 5019-30.jpg, где 5019-31.jpg-относит. скорость ядер, m = т1т2/(т12)- 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 5019-32.jpg.)

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 5019-33.jpg 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 = uмакс, образуемого в <us(u)> произведением двух экспонент - гамовской и максвелловской, ехр( - mu2/2kT). В результате имеем

5019-34.jpg

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)>5019-35.jpgехр(-const/T1/3), 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 5019-36.jpg. Причина такого рода "облегчённой" (в относит. масштабе 5019-37.jpg/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.

Существование неширокой области относит. энергий ядер ок. 5019-38.jpg = (1/2) mu2макс, вносящей осн. вклад в полную скорость <us> T. р., имеет простой физ. смысл: для более частых столкновений ядер с энергией 5019-39.jpg слишком мала проницаемость барьера, и, наоборот, наиб. эффективные по проницаемости столкновения ядер с 5019-40.jpg слишком редки. "Оптимальная" энергия 5019-41.jpg приходится на "хвостовую" область максвелловского распределения; напр., для T. р. 4 и 5 (табл.) 5019-42.jpg /kT=6,25T-1/3кэВ>> 1.

Расчёт скорости T. р. для немаксвелловского распределения ядер (конкретно, усечённого со стороны больших 5019-43.jpg) показывает, что, начиная со ср. энергий порядка неск. кэВ, когда оптим. "номер хвоста" 5019-44.jpg/kT "эквивалентного" (в смысле одинаковости ср. энергий) максвелловского распределения уже перестаёт быть большим, наличие или отсутствие полного максвелловского распределения ядер практически некритично для значения <us>.

Скорости <us> нек-рых важнейших для УТС T. р., рассчитанные численно (с учётом также и резонансов) для максвелловского распределения, приведены на рис. 3; скорость реакции 5 составляет (51-55)% от скорости DDполн.

5019-45.jpg

Рис. 3. Скорости некоторых важнейших для УТС термоядерных реакций.


T. р. во Вселенной играют двоякую роль - как осн. источник энергии звёзд и как один из основных механизмов нуклеосинтеза .Для нормальных гомогенных звёзд, в т. ч. Солнца, гл. процессом экзоэнергетического ЯС является сгорание H в Не, точнее, превращение 4 протонов в ядро 4He, 2 позитрона и 2 нейтрино. Этот результат можно получить двумя путями [X. Бете (H. Bethe) и др., 1938- 39]: 1) в протон-протонной (рр) цепочке, или водородном цикле; 2) в углеродно-азотном цикле (CN).

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 T5019-46.jpg200 млн. К, является т.н. п р о ц е с с С о л п и т е-р а (3a-реакция): 34He5019-47.jpg12С + g1+g2 + 7,3 МэВ (процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро 8Be). Далее могут следовать реакции 12С+ 4He5019-48.jpg16O+ g, 16О+ 4He5019-49.jpg 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 34He5019-50.jpg12C, 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+ 4He5019-51.jpg 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  

ПУТИН : РОССИЯ = 5 : 0

Мало ли что я обещал гоям?
Российскую пенсию будут получать только израильтяне!


ГОЛОСОВАТЬ ПРОТИВ ПОВЫШЕНИЯ ВОЗРАСТА ВЫХОДА НА ПЕНСИЮ

Депутат Госдумы Олег Шеин: Повышение пенсионного возраста? - Действуем на пресечение!!!

ВСЕ ВИДЕО
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 ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
  19.06.2018 - 11:12: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
19.06.2018 - 01:53: Беседка - Chatter -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров.
17.06.2018 - 17:14: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Фурсова - Карим_Хайдаров.
16.06.2018 - 08:05: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
15.06.2018 - 16:59: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА ПРЕСНОЙ ВОДЫ - Карим_Хайдаров.
14.06.2018 - 23:48: СОВЕСТЬ - Conscience -> Пресса против Эйнштейна: первые ростки - Карим_Хайдаров.
14.06.2018 - 23:44: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
14.06.2018 - 23:02: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
14.06.2018 - 08:21: АСТРОФИЗИКА - Astrophysics -> АСТРОФИЗИКА ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
13.06.2018 - 19:08: Беседка - Chatter -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
13.06.2018 - 18:25: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> ПОПУЛЯРИЗАЦИЯ НАУКИ - Карим_Хайдаров.
13.06.2018 - 17:00: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА - Experimental Physics -> БИОТРАНСМУТАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution