- Ядерный синтез
-
Схема реакции дейтерий-тритийЯдерные процессы Радиоактивный распад - Альфа-распад
- Бета-распад
- Кластерный распад
- Двойной бета-распад
- Электронный захват
- Двойной электронный захват
- Гамма-излучение
- Внутренняя конверсия
- Изомерный переход
- Нейтронный распад
- Позитронный распад
- Протонный распад
- Спонтанное деление
- Термоядерная реакция
- Протон-протонный цикл
- CNO-цикл
- Тройной альфа-процесс
- Гелиевая вспышка
- Процесс углеродного сгорания
- Углеродная детонация
- Процесс неонового сгорания
- Процесс кремниевого сгорания
- Нейтронный захват
- R-процесс
- S-процесс
- Захват протонов:
- P-процесс
- Rp-процесс
- Нейтронизация
- Реакции скалывания
Термоя́дерная реа́кция (синоним: ядерная реакция синтеза) — разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые ядра.
Происхождение термина
Для того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания (см. ниже), для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной».
Кулоновский барьер
Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие. Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.
Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. Для сравнения, энергия ионизации водорода — 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.
Если перевести 0,1 МэВ в температуру, то получится примерно 109 К. Однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции. Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (т. н. «хвост максвелловского распределения»). Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него. Этот же факт туннелирования используется в мюонном катализе реакций ядерного синтеза.
(1) D + T → 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) (2) D + D → T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) (50 %) (3) → 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) (50 %) (4) D + 3He → 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) (5) T + T → 4He + 2 n + 11.3 MeV (6) 3He + 3He → 4He + 2 p (7) 3He + T → 4He + p + n + 12.1 MeV (51 %) (8) → 4He (4.8 MeV) + D (9.5 MeV) (43 %) (9) → 4He (0.5 MeV) + n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV) (6 %) (10) D + 6Li → 2 4He + 22.4 MeV (11) p + 6Li → 4He (1.7 MeV) + 3He (2.3 MeV) (12) 3He + 6Li → 2 4He + p + 16.9 MeV (13) p + 11B → 3 4He + 8.7 MeV См. также
Wikimedia Foundation. 2010.
