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  

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution