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.