ЕГЭ
КАРТОЧКИ
ТЕСТЫ
ОБРАЧАТ
Термоядерная реакция
На прошлых уроках мы выяснили, что тяжелые атомные ядра химических элементов, находящихся ближе к концу периодической таблицы, являются менее устойчивыми. Поэтому они склонны к распаду — делению. Так, ядро урана захватывает нейтрон, переходит в возбужденное состояние и начинает деформироваться (рисунок 1). Оно принимает вытянутую форму и в момент, когда ядерные силы уже не могут удерживать нуклоны, разрывается на два осколка, испускающие несколько нейтронов.
При делении урана и других тяжелых ядер выделяется большое количество энергии. При этом испускаемые нейтроны могут вызывать новые акты деления других ядер урана, что приводит к возникновению цепной реакции (рисунок 2). Именно возможность управлять такой цепной реакцией лежит в основе работы атомных электростанций.
Но обсуждая график зависимости удельной энергии связи от числа нуклонов в ядре (рисунок 3), мы говорили, что не только деление тяжелых ядер, но и слияние легких ядер является энергетически выгодным процессом. Это означает, что помимо реакций деления существует еще один важный тип ядерных реакций — реакции синтеза.
На данном уроке мы будем рассматривать именно легкие ядра. Мы познакомимся с процессами, которые называются термоядерными реакциями, и узнаем, что они играют важную роль как в природе, так и в будущей энергетике человечества.
Выделение энергии при синтезе легких ядер
На прошлом уроке на примере урана мы рассмотрели, как выделяется энергия при делении тяжелых ядер. Для легких ядер энергетически выгодным является противоположный процесс — их соединение (синтез).
Отдельные легкие ядра обладают сравнительно небольшой энергией связи на один нуклон — удельной энергией связи $\epsilon$. То есть нуклоны в них удерживаются ядерными силами не очень прочно. Если такие ядра сближаются и объединяются, образуется более тяжелое ядро. В нем энергия связи, приходящаяся на один нуклон, становится больше (рисунок 4). Это означает, что новое ядро является более устойчивым.
При переходе из менее устойчивого состояния к более устойчивому внутренняя энергия системы уменьшается. Разность энергий выделяется во внешнюю среду в виде кинетической энергии частиц и излучения. Именно поэтому при синтезе легких ядер происходит выделение энергии, а не ее поглощение.
Выделение энергии в реакциях синтеза сопровождается уменьшением суммарной массы системы (рисунок 5). Масса образовавшегося ядра оказывается меньше суммы масс исходных ядер. Эта разность масс, называемая дефектом массы, превращается в энергию согласно формуле $\Delta E = \Delta m c^2$.
Если сравнить энергию, выделяющуюся в расчете на один нуклон, при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер, то окажется, что во втором случае она больше. Это означает, что реакции синтеза легких ядер являются энергетически более выгодными, чем реакции деления тяжелых ядер.
Условия осуществления ядерного синтеза
Что же является необходимым условием для того, чтобы легкие ядра объединились в одно?
Мы знаем, что нуклоны внутри атомного ядра удерживаются ядерными силами. Эти силы действуют только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами ядра. Поэтому чтобы два ядра смогли объединиться, их необходимо сблизить на расстояние порядка $10^{−15} \space м$. То есть они должны оказаться на расстоянии действия ядерных сил (рисунок 6).
Однако этому сближению препятствуют силы электрического отталкивания между ядрами, ведь они имеют положительные электрические заряды. Чтобы преодолеть это отталкивание, ядра должны обладать очень большой кинетической энергией. А это возможно, например, при очень высокой температуре, когда частицы движутся с очень большими скоростями (рисунок 7).
Для осуществления реакции ядерного синтеза вещество необходимо нагреть до сверхвысоких температур — от десятков до сотен миллионов градусов Цельсия. При таких температурах вещество не может существовать в твердом, жидком или газообразном состоянии.
Плазма как агрегатное состояние вещества
При температурах, когда ядра приобретают достаточную кинетическую энергию для синтеза, вещество находится в состоянии плазмы — почти полностью ионизированного газа.
Плазма — это состояние вещества, представляющее собой частично или полностью ионизированный газ (четвертое агрегатное состояние вещества).
В состоянии плазмы атомы вещества распадаются на свободные электроны и положительно заряженные ионы (рисунок 8). При этом суммарный электрический заряд остается нейтральным. Число положительных и отрицательных зарядов в среднем одинаково.
Плазма может излучать свет. Это связано с тем, что свободные электроны передают энергию атомам и ионам. В результате частицы переходят в возбужденное состояние. При их возвращении в основное состояние происходит излучение света (рисунок 9).
Однако плазма светится не всегда — для возникновения свечения необходимо, чтобы ее частицы постоянно получали энергию. Эта энергия передается плазме за счет движения заряженных частиц в электрических или магнитных полях. Именно наличие свободных зарядов отличает плазму от обычного газа.
Примеры плазмы
Плазма широко распространена в природе. В состоянии плазмы находится вещество Солнца и других звезд. На Земле примерами плазмы могут служить молния и полярные сияния.
Во время молнии через воздух проходит мощный электрический ток, из-за чего воздух нагревается до температур в десятки тысяч градусов. Он ионизируется и переходит в состояние плазмы. При этом плазмой является не сама молния как явление, а воздух в канале разряда.
Полярные сияния возникают в верхних слоях атмосферы Земли. Это происходит при взаимодействии потоков заряженных частиц от Солнца с разреженным атмосферным воздухом. В результате воздух ионизируется, переходит в состояние плазмы и начинает светиться.
Плазма существует не только в природе. Она также используется в различных технических устройствах. Например в неоновых лампах и электрической дуге.
В неоновой лампе находится разреженный газ — неон. При прохождении электрического тока он ионизируется. Так он переходит в состояние плазмы и начинает светиться.
Электрическая дуга возникает при прохождении сильного электрического тока между электродами. Газ в промежутке между ними сильно нагревается, ионизируется и также переходит в состояние плазмы. Электрическая дуга используется, например, при сварке металлов.
Определение термоядерной реакции
Такие реакции соединения легких ядер, происходящие при сверхвысоких температурах и в состоянии плазмы, называются термоядерными. Название происходит от греческого слова «thermos» — теплый, горячий.
Термоядерная реакция — это реакция слияния легких ядер (таких как водород, гелий и др.), происходящая при температурах от десятков до сотен миллионов градусов.
В термоядерных реакциях также выполняются законы сохранения: сохраняются заряд, массовое число и энергия.
Примеры термоядерных реакций
Рассмотрим конкретные примеры термоядерных реакций.
Одной из простейших термоядерных реакций является слияние двух ядер дейтерия:
$^2_1\text{H} \space + \space ^2_1\text{H} \space \to \space ^3_2\text{He} \space + \space ^1_0\text{n}$.
Два изотопа водорода вступают в реакцию и образуется гелий. При этом излучается нейтрон (рисунок 10).
Почти такой же результат получается и при немного другой реакции. Здесь происходит слияние дейтерия и трития.
$^2_1\text{H} \space + \space ^3_1\text{H} \space \to \space ^4_2\text{He} \space + \space ^1_0\text{n}$.
Это — первая в истории термоядерная реакция, реализованная учеными (рисунок 11). Она использовалась в термоядерной бомбе и носила неуправляемый (взрывной) характер.
В результате этой реакции образуется ядро гелия, испускается свободный нейтрон и выделяется энергия около $17.6 \space МэВ$. Именно эта реакция рассматривается как основная для будущей термоядерной энергетики.
При делении одного ядра урана-235 выделяется энергия около $200 \space МэВ$. Почему же мы тогда говорим, что при термоядерных реакция выделяется больше энергии?
Дело в том, что сравнивать эти процессы по энергии одной реакции некорректно. Ядро урана содержит около 235 нуклонов, тогда как в реакции синтеза участвуют всего 5 нуклонов. Если сравнивать энергию, приходящуюся на один нуклон, то окажется, что при термоядерном синтезе она в $4$ раза больше:
- при делении урана энергия на один нуклон составляет примерно $0.85 \space МэВ$,
- а при синтезе дейтерия и трития — $3.5 \space МэВ$.
Именно поэтому реакции синтеза легких ядер считаются энергетически более выгодными.
Использование термоядерных реакций
Итак, если бы мы смогли использовать термоядерные реакции в энергетике, то они были бы намного эффективнее реакций деления урана. Дополнительным преимуществом является практически неисчерпаемая сырьевая база.
По оценкам ученых запасы дейтерия ($D$ или $^2_1\text{H}$), содержащегося в водах Мирового океана, составляют примерно $80 \space 000 \space км^3$ (рисунок 12). А тритий, практически не встречающийся в природе, может быть получен в лабораторных условиях.
Управляемые термоядерные реакции
Для того, чтобы использовать энергию термоядерных реакций в мирных целях, нужно чтобы реакция была управляемой. Здесь и кроется основная трудность.
Для того, чтобы реакция была управляемая, необходимо удерживать высокотемпературную плазму, в которой происходит синтез ядер. При этом плазма не должна соприкасаться со стенками установки. Если она все же с ними соприкоснется, то стенки превратятся в пар.
В настоящее время для удержания плазмы в ограниченном пространстве на расстоянии от стенки используют очень сильные магнитные поля.
В середине XX века советские ученые Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм предложили удерживать плазму с помощью магнитного поля особой формы. Эта идея была реализована в установках типа токамак. Она представляет собой тороидальная камеру с магнитными катушками (рисунок 13). В таких установках плазма удерживается магнитным полем и не касается стенок камеры.
На современном этапе эти установки до сих пор носят экспериментальный характер. Несмотря на значительные успехи, ученым пока не удалось создать конструкцию, которая могла бы стабильно вырабатывать электроэнергию и передавать ее в энергосеть.
Термоядерные реакции в природе и энергия Солнца
Термоядерные реакцию играют важную роль в эволюции Вселенной. Особенно, в преобразовании химических веществ.
В естественных условиях термоядерные реакции происходят в недрах звезд. Они являются основным источником их энергии. Так, Солнце излучает свет и тепло уже более $4.6$ миллиардов лет (рисунок 14).
Но долгое время ученые не могли объяснить, за счет какого источника энергии это возможно. В какой-то момент они рассматривали гипотезу, что энергия на Солнце выделяется в результате химической реакции горения. Но расчеты опровергли это предположение. В таком случае Солнце могло бы существовать всего несколько тысяч лет.
В середине XIX века была выдвинута более оригинальная гипотеза. Согласно ей, увеличение внутренней энергии и повышение температуры Солнца происходит за счет уменьшения его потенциальной энергии при гравитационном сжатии. Но тогда срок жизни Солнца составлял бы несколько миллионов лет, но не миллиардов.
В итоге, в 1938 году американский астрофизик Ханс Бете высказал предположение, что энергия Солнца выделяется в результате термоядерных реакций. Последующие расчеты и наблюдения полностью подтвердили эту гипотезу.
Водородный цикл
Также Ханс Бете открыл водородный цикл. Иногда его называют или протон-протонным циклом.
Водородный цикл — это цепочка реакций, в результате которых ядра водорода превращаются в ядра гелия:
$^1_1\text{H} \space + \space ^1_1\text{H} \space \to \space ^2_1\text{H} \space + \space ^0_1e^{+} \space + \space ^0_0\nu$,
$^2_1\text{H} \space + \space ^1_1\text{H} \space \to \space ^3_2\text{He} \space + \space ^0_0\gamma$,
$^3_2\text{He} \space + \space ^3_2\text{He} \space \to \space ^4_2\text{He} \space + \space 2 ^1_1\text{H}$.
В первой реакции сталкиваются и объединяются два ядра водорода (протона). Образуется ядро дейтерия $^2_1\text{H}$ — тяжелого изотопа водорода (рисунок 15). При этом один из протонов превращается в нейтрон, а из ядра испускаются позитрон $^0_1e^{+}$ (античастица электрона с положительным зарядом) и нейтрино $^0_0\nu$. Эта реакция протекает очень медленно. в среднем один протон в недрах Солнца ожидает такого превращения миллиарды лет. Именно поэтому она определяет скорость всего водородного цикла.
Во второй реакции образовавшееся ядро дейтерия $^2_1\text{H}$ соединяется с еще одним ядром водорода (рисунок 16). В результате образуется ядро гелия $^3_2\text{He}$. При этом испускается гамма-квант $^0_0\gamma$.
Для третьей реакции нужны два ядра гелия $^3_2\text{He}$. Поэтому первые две реакции должны произойти дважды. Далее эти два ядра гелия объединяются (рисунок 17). В результате образуется устойчивое ядро гелия $^4_2\text{He}$ и испускаются два ядра водорода (протия). Эти ядра могут участвовать в последующих реакциях цикла.
Водородный (протон-протонный) цикл происходит в недрах Солнца и является основным источником его энергии. Он непрерывно идет в центральной области Солнца на протяжении миллиардов лет.
В ходе этих реакций часть массы превращается в энергию. Масса Солнца при этом ежесекундно уменьшается на несколько миллионов тонн. Звучит грандиозно, но по подсчетам ученых запасов водорода точно хватит еще примерно на $5–6$ миллиардов лет.
Упражнение
За $1 \space с$ Солнце излучает энергию $3.9 \cdot 10^{26} \space Дж$. На сколько уменьшается масса Солнца за это время?
Дано:
$E = 3.9 \cdot 10^{26} \space Дж$
$c = 3 \cdot 10^8 \frac{м}{с}$
$m — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Ранее мы рассматривали формулу $E_0 = mc^2$ как энергию покоя — энергию, связанную с массой. В ядерных реакциях нас интересует как раз изменение этой массы. Если она уменьшается, то уменьшается и энергия покоя. Разность энергии покоя и выделяется в виде энергии реакции.
Поэтому для выделившейся энергии мы можем записать:
$E = mc^2$, где $m$ — уменьшение массы.
Выразим отсюда массу и найдем ее:
$m = \frac{E}{c^2}$,
$m = \frac{3.9 \cdot 10^{26} \space Дж}{(3 \cdot 10^8 \frac{м}{с})^2} = \frac{3.9 \cdot 10^{26} \frac{кг \cdot м^2}{с^2}}{(9 \cdot 10^{16} \frac{м^2}{с^2}} \approx 4.3 \cdot 10^9 \space кг$.
Получается, что за $1 \space с$ масса Солнца уменьшается примерно на $4.3 \space т$.
Ответ: $m \approx 4.3 \cdot 10^9 \space кг$.
Часто задаваемые вопросы
Термоядерная реакция — это реакция сияния легкий ядер (таких как водород, гелий и др.), происходящая при температурах от десятков до сотен миллионов градусов.
Очень высокая температура необходима для придания ядрам достаточно большой кинетической энергии. Только так ядра смогут преодолеть силы электрического отталкивания и сблизиться на расстояние действия ядерных сил.
Если сравнивать энергию, выделившуюся на один нуклон, то реакция синтеза легких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжелого ядра.
Одна из основных трудностей в осуществлении термоядерных реакций заключается в том, чтобы удержать внутри установки высокотемпературную плазму так, чтобы она не касалась стенок этой установки.
Благодаря термоядерным реакциям, протекающим в недрах Солнца, выделяется энергия, дающая жизнь обитателям Земли.
Источником энергии Солнца являются термоядерные реакции.
По подсчетам ученых запаса водорода на Солнце должно хватить еще на $5–6$ миллиардов лет.
5
5
1
5
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий
Хотите оставить комментарий?
Войти