Словарь (стр. 19 )

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. 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.

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

Табл. 1.

(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 (α-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).

р. В табл. 1 для ряда Т. р. приведены значения энерговы­деления, максимального сечения σмакс — 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++ν), оно весьма мало.

Т. р. происходят в результате пар­ных столкновений между ядрами, по­этому число их в ед. объёма в ед. вре­мени равно n1n2< nσ(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 <vσ(v)>. 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 о 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 о=kT) T~2.109 К. Следо-

758

вательно, вид σ(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, μ=m1m2/(m1+m2)— их приведённая масса, е — заряд эл-на. Кроме того, в ряде случаев собст­венно яд. вз-ствия обусловливают ре­зонансный хар-р зависимости σ(v) (наибольшие из значений σмакс 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.

Для Солнца и менее ярких звёзд в полном энерговыделении преобладает

Табл. 3. УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ

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+γ, 7Ве+е-→ 7Li +γ, p+7Li → 24He,

а при ещё более высоких Т.— третья ветвь:

3Не+4Не →7Ве+γ,  р+7Ве→8В+γ, 8В→8Be+e++ν,  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+γ1+γ2+7,3 МэВ (процесс двухступен­чатый, идущий через промежуточное ядро 8Ве). Далее могут следовать реак­ции 12С+4Не → 16О+γ, 16O+4Не → 20Ne+γ; 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 σ(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 β-распада, явл. механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер.

Ср. интенсивность энерговыделения ε в типичных звёздных Т. р. по земным масштабам ничтожна; так, для Солнца (в ср. на 1 г солн. массы) ε=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+ +ν 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. 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.

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»