19.8: Термоядерная реакция

Процесс преобразования очень легких ядер в более тяжелые ядра сопровождается также преобразованием массы в большие количества энергии, процесс, называемый синтезом. Основным источником энергии на солнце является чистая реакция синтеза, при которой четыре ядра водорода сгорают и в конечном итоге производят одно ядро гелия и две позитроны.

Ядро гелия имеет массу на 0.7% меньше, чем у четырех ядер водорода; эта потерянная масса преобразуется в энергию во время синтеза. В зависимости от способа синтеза эта реакция вырабатывает около 1.7 × 109 до 2.6 × 109 килоджоулей энергии на моль произведенного гелия-4. Это несколько меньше энергии, производимой ядерным делением одного моль U-235 (1.8 × 1010 кДж). Однако при синтезе одного грамма гелия-4 вырабатывается около 6.5×108 кДж, что больше энергии, производимой делением одного грамма U-235 (8.5×107 кДж). Это особенно заметно, потому что реагенты для гелиевого синтеза дешевле и намного более обилен, чем U-235.

Установлено, что ядра тяжелых изотопов водорода, дейтерона и тритона подвергаются термопрозраному синтезе при чрезвычайно высоких температурах, образуя ядро гелия и нейтрон. Это изменение происходит при массовой потере 0.0188 аму, что соответствует освобождению 1.69 × 109 килоджоулей на моль образованного гелия-4. Очень высокая температура необходима для того, чтобы дать ядрам достаточно кинетической энергии для преодоления очень сильных отталкивающих сил, возникающих в результате положительных зарядов на их ядрах, чтобы они могли столкнуться.

Для начала полезных реакций синтеза требуется очень высокая температура — около 15,000,000 K или более. При этих температурах все молекулы диссоциируются на атомы, а атомы ионируются, образуя плазму. Эти условия происходят в очень большом количестве мест во всей вселенной — звезды питаются синтезом.

Создание реакторов термоядерного синтеза является сложной задачей, поскольку при таких высоких температурах твердые материалы не устойчивы, а механические устройства не могут содержать плазму, в которой происходят реакции синтеза. В настоящее время в центре интенсивных исследований находятся два метода, которые позволяют содержать плазму при плотности и температуре, необходимой для реакции синтеза: Сдерживание магнитным полем в токамакском реакторе и использование сфокусированных лазерных лучей. Однако в настоящее время в мире нет самоподдерживающихся реакторов термоядерного синтеза, хотя небольшие контролируемые реакции термоядерного синтеза протекали в течение очень коротких периодов времени.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 21.4: Трансмутация и ядерная энергия.

Слияние небольших ядер, таких как водород, для образования более крупных вроде гелия называется ядерным синтезом. Поскольку ядра должны преодолевать электростатическое отталкивание, реакция синтеза требует температуры 40 миллионов кельвинов или более и поэтому известна как термоядерная реакция. Нуклиды с массовыми числами от 40 до 100 имеют высокую энергию связывания нуклонов и, как правило, стабильны.

Таким образом, более легкие ядра с низкими энергиями связывания нуклонов имеют тенденцию к объединению, создавая более тяжелые ядра с более высокими энергиями связывания. Разница между энергиями связывания нуклонов продукта и нуклидов-реагентов генерирует огромное количество энергии. Примечательно, что при образовании одного грамма гелия-4 высвобождается значительное большее количество энергии, чем при распаде одного грамма урана-235.

Значит, синтез используют для выработки электричества? Ну, пока еще нет! При высоких температурах, необходимых для синтеза, все молекулы распадаются на атомы, которые ионизируются, образуя плазму.

Для таких реакций реактором служит сильное торообразное магнитное поле. Однако его эффективное использование по-прежнему технически проблематично. Фактически синтез водорода с гелием является одним из основных процессов сжигания водорода на звездах главной последовательности, к примеру, на Солнце.

Как только звезды начинают синтез гелия, два ядра гелия объединяются в бериллий-8. В отличие от гелия-4, бериллий-8 очень нестабилен, что делает это явление эндотермической, легко обратимой реакцией термоядерного синтеза. По мере ускорения процесса синтеза гелия бериллий-8 становится более обогащенным и сливается с гелием-4, образуя углерод-12 в возбужденном состоянии, который иногда успокаивается до стабильного углерода-12.

В массивных звездах цепь термоядерных реакций, инициированная сочетанием углерода-12 и гелия-4, образует последовательность элементов вплоть до магния-24. Поскольку дальнейшие реакции синтеза создают более тяжелые нуклиды, уменьшение разницы в энергиях связывания между реагентами и продуктами приводит к тому, что в этих реакциях вырабатывается меньше энергии. Последовательность заканчивается на никеле-56, который имеет одну из самых высоких энергий связывания нуклонов.

Вместо этого более тяжелые элементы образуются в результате множества случаев захвата нейтронов или протонов непосредственно перед и во время уникальных взрывов звезд или сверхновых.