ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Ядерные реакции между лёгкими ат. ядрами, протекающие при очень высоких темп-рах (=108К и выше). Высокие темп-ры, т. е. достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатич. барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряж. ч-ц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия яд. сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при Т. р. Поэтому Т. р. в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть в-во либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком ч-ц.

Табл. 1.

Т. р., как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением в продуктах реакции избыточной кинетич. энергии, равной увеличению суммарной энергии связи (см. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ). При этом сам механизм этого экзоэнергетич. сдвига к ср. части периодич. системы элементов Менделеева здесь противоположен тому, к-рый имеет место при делении тяжёлых ядер: почти все практически важные Т. р.— это реакции слияния (синтеза) лёгких ядер в более тяжёлые. Имеются и исключения: благодаря особой прочности ядра 4Не (a-частица) возможны экзоэнергетич. реакции деления лёгких ядер (по меньшей мере одна из них, «чистая» реакция 11В+р ® 34Не+8,7 МэВ, по-видимому, также может представить практический интерес).

Большое энерговыделение в ряде Т. р. обусловливает их важность для астрофизики, прикладной яд. физики и яд. энергетики. Чрезвычайно интересна также роль Т. р. в дозвёздных и звёздных процессах синтеза ат. ядер хим. элементов (нуклеогенеза).

Скорости Т. р.

В табл. 1 для ряда Т. р. приведены значения энерговыделения, максимального сечения sмакс — осн. величины, характеризующей вероятность Т. р., и соответствующей энергии налетающей ч-цы (в ф-ле реакции — первой слева).

Гл. причина очень большого разброса сечений Т. р.— резкое различие вероятностей собственно ядерных («послебарьерных») превращений. Так, для большинства реакций, сопровождающихся образованием наиболее сильно связанного ядра 4Не, сечение велико, тогда как для реакций, обусловленных слабым взаимодействием (напр., р+р®d+e++n), оно весьма мало.

Т. р. происходят в результате парных столкновений между ядрами, поэтому число их в ед. объёма в ед. времени равно n1n2< ns(v)>, где n1, n2 — концентрации ядер 1-го и 2-го сортов (если ядра одного сорта, то n1, n2 следует заменить на 1/2 n2), v — относит. скорость сталкивающихся ядер (распределение скоростей в дальнейшем принимается максвелловским; (см. МАКСВЕЛЛА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ)). Температурная зависимость скорости Т. р. определяется множителем . В практически важном случае «не очень высоких» темп-р Т?(107—108)К она может быть приближённо выражена в виде, одинаковом для всех Т. р. В этом случае относит. энергии ? сталкивающихся ядер, как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера, к-рая даже для комбинации ядер с наименьшим ат. номером Z=1 составляет =200 кэВ, что соответствует (по соотношению ?=kT) T=2.109 К. Следовательно, вид s(v) определяется в осн. вероятностью туннельного прохождения сквозь барьер (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ). Результат имеет вид:

где const — постоянная, характерная для данной реакции, Z1, Z2 — ат. номеpa сталкивающихся ядер, m=m1m2/(m1+m2)— их приведённая масса, е — заряд эл-на. Кроме того, в ряде случаев собственно яд. вз-ствия обусловливают резонансный хар-р зависимости s(v) (наибольшие из значений sмакс в табл. 1).

Т. р. во Вселенной играют двоякую роль — как осн. источник энергии звёзд и как механизм нуклеогенеза. Для нормальных гомогенных звёзд, в т. ч. Солнца, гл. процессом экзоэнергетич. яд. синтеза явл. сгорание Н в Не, точнее, превращение четырёх протонов в ядро 4Не, два позитрона и два нейтрино. Этот результат можно получить двумя путями (нем. физик X. Бете и др., 1938—39): 1) в протон-протонной, (рр) цепочке, или водородном цикле (табл. 2); 2) в углеродно-азотном (CN), или углеродном, цикле (табл. 3).

Табл. 2. ВОДОРОДНЫЙ ЦИКЛ

Первые три реакции входят в полный цикл дважды.

Времена реакций рассчитаны для условий в центре Солнца: Т= 13 млн. К (по др. данным, 16 млн. К), плотность Н — 100 г/см3. В скобках указана часть энерговыделения, безвозвратно уходящая с v.

В CN-цикле ядро 12С играет роль катализатора.

Табл. 3. УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ

Для Солнца и менее ярких звёзд в полном энерговыделении преобладает рр-цикл, а для более ярких звёзд — CN-цикл. В начале 70-х гг. всеобщая уверенность в термояд. механизме генерации солн. энергии была временно поколеблена тем фактом, что непосредственно измеренный поток солн. нейтрино, достигающий Земли, оказался значительно меньше теоретически ожидаемого для рр-цикла. Однако последующие измерения снизили это расхождение до множителя =3, что в совокупности с неточностью как измерений, так и теор. модели Солнца (в частности, темп-ры в его центре) в осн. рассеяло возникшие сомнения. Водородный цикл разветвляется на три варианта. При достаточно больших концентрациях 4Не и T>(10— 15) млн. К в полном энерговыделении начинает преобладать вторая ветвь рр-цикла, отличающаяся от приведённой в табл. 2 заменой реакции 3Не+3Не на цепочку:

3Не+4Не ®7Ве+g, 7Ве+е-® 7Li +g, p+7Li ® 24He,

а при ещё более высоких Т.— третья ветвь:

3Не+4Не ®7Ве+g, р+7Ве®8В+g, 8В®8Be+e++n, 8Be®24He.

Для звёзд-гигантов с плотными выгоревшими (по содержанию Н) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы Т. р.; они протекают при значительно более высоких темп-рах и плотностях, чем рр- и CN-циклы. Осн. реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с Т»200 млн. К, является т. н. процесс Солпитера: 34Не ®12C+g1+g2+7,3 МэВ (процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро 8Ве). Далее могут следовать реакции 12С+4Не ® 16О+g, 16O+4Не ® 20Ne+g; в этом состоит один из механизмов нуклеогенеза. Интересно, что сама возможность процесса Солпитера, а тем самым и нуклеогенеза большинства элементов (предпосылка возникновения всех форм жизни!) связана с таким случайным обстоятельством, как большая «острота» резонанса в зависимости s(v) для яд. реакции 34Не®12С, обеспечиваемая наличием подходящего дискр. уровня энергии у ядра 8Ве.

Если продукты реакций гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществится неоновый (Ne—Na) цикл, в к-ром ядро 20Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу (табл. 3), только ядра 12С, 13N, 13C, 14N, 15O, 16N заменяются соотв. ядрами 20Ne, 21Na, 21Ne, 22Na, 23Na, 23Mg. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Однако он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеогенеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (21Ne) может служить источником нейтронов: 21Ne+4He ®24Mg+n (аналогичную роль может играть и ядро С, участвующее в CN-цикле).

Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами b-распада, явл. механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер.

Ср. интенсивность энерговыделения e в типичных звёздных Т. р. по земным масштабам ничтожна; так, для Солнца (в ср. на 1 г солн. массы) e=2 эрг/с•г. Это гораздо меньше, напр., скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена в-в. Однако вследствие огромной массы Солнца (2•1033 г) полная излучаемая им мощность (4•1026 Вт) чрезвычайно велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца приблизительно на 4 млн. т).

Благодаря колоссальным размерам и массам Солнца и звёзд в них идеально решается проблема удержания (в данном случае гравитационного) и термоизоляции плазмы: Т. 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 (табл. 2 и 3). В земных условиях эти процессы практически неосуществимы; напр., фундам. реакция p+p®d+e+ +n непосредственно вообще не наблюдалась.

Т. р. в земных условиях. На Земле имеет смысл использовать лишь наиболее эффективные из Т. р., прежде всего связанные с участием дейтерия и трития. Подобные Т. р. в сравнительно крупных масштабах осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных, или водородных, бомб. Вероятная схема реакций в термояд. бомбе включает Т. р. 12, 7, 4 и 5 (табл. 1), но возможны и другие Т. р., напр. 16, 14, 3.

Использованием Т. р. в мирных целях может явиться управляемый термоядерный синтез (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 Т. р. Для УТС наиболее важны Т. р. 7, 5 и 4 (а также 12 для регенерации дорогостоящего трития).

Независимо от целей непосредств. получения энергии термоядерный реактор может быть использован в кач-ве мощного источника быстрых нейтронов. Последние могут быть использованы, в частности, в энергетич. целях в последующих реакциях деления тяжёлых ядер (см. ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА) в окружающем реактор бланкете из урана (или тория). Это т. н. гибридный реактор, работающий по схеме «синтез — деление» и являющийся одним из звеньев программы УТС. С другой стороны, заметное внимание привлекли к себе и «чистые» Т. р., но дающие нейтронов, напр. реакции 10, 20 (табл. 1).