§ 31.7. Термоядерные реакции

Освобождение энергии возможно не только при реакциях деления тяжелых ядер, но и при воссоединении (синтезе) легких ядер.

Термоядерными реакциями называются ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (порядка 10⁸К и выше). Сюда относятся реакции термоядерного синтеза, т. е. реакции, в которых из легких ядер синтезируются более тяжелые, например дейтерий-тритиева реакция типа (рис.31.10).:

(31.23)

а также реакции термоядерного деления, например:

(31.24)

Для осуществления подобных реакций необходимо, чтобы участвующие в них ядра сблизились на очень малое расстояние и попали в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствуют кулоновские силы отталкивания. Чтобы их преодолеть, ядра должны обладать очень большой кинетической энергией. Сообщить такую энергию можно, лишь нагрев смесь реагирующих веществ до тем­пературы в сотни миллионов градусов. Поэтому соответствующие реакции и называются термоядерными. Энергетический выход термоядерной реакции в миллионы раз превосходить ту энергию, которая выделяется при сжигании обыч­ного химического топлива (угля, нефти и т.д.).

Например, энергетический выход реакции (54.1) составляет 17,6 МэВ. Это значит, что 1 г такого термоядерного горючего в результате «сжигания» даст примерно 3,4-10¹¹ Дж, что в 4,5 раза больше той энергии, которая выделяется при делении такой же массы урана.

Примерно такой же энергетический выход имеет и реакция термоядерного деления (54.2). Однако температура и некоторые другие параметры, характеризующие эту реакцию, оказываются настолько большими, что в настоящее время работы по их осуществлению не ведутся.

Наиболее эффективной и перспективной сейчас считается реакция (54.1), в которой синтезируется гелий. Осуществление управляемой реакции термоядерного синтеза (УТС) сулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Дело в том, что необходимый для этой реакции дейтерий содержится в воде морей и океанов (в виде молекул НDО и D₂О) в таком количестве, что его хватит на сотни миллионов лет. Тритий же можно получать путем облучения жидкого лития (запасы которого также огромны) нейтронами от ядерного реактора.

Важно также и то, что использование термоядерных реакций не будет сопровождаться загрязнением окружающей среды, так как в них (в отличие от реакций деления тяжелых ядер) не образуются радиоактивные отходы.

В настоящее время удалось осуществить лишь неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной (или термоядерной) бомбе. Устройство такой бомбы схематически показано на рисунке 31.11. В качестве запала в ней используется обычная атомная бомба 1, а термоядерным горючим 2 является твердое вещество LiD, называемое дейтеридом лития (соединение дейтерия с изотопом лития ).

Первая в мире водородная бомба была создана в СССР (И. В. Курчатов, А. Д. Сахаров). В 1957 г. термоядерное оружие было создано в Англии, в 1967 г. — в Китае и в 1968 г. — во Франции. К настоящему времени в арсеналах разных стран накоплено уже более 50 тысяч водородных бомб. Большинство из них имеет мощность порядка 10⁵— 10⁶ т. Но среди них есть и свои «рекордсмены». Так, еще в 1961 г. Н. С. Хрущев громогласно заявил, что в СССР есть бомба в 100 миллионов тонн тротила. «Но,— заметил он,— взрывать такую бомбу мы не будем, потому что если взорвем ее даже в самых отдаленных местах, то и тогда можем окна у себя повыбить».

Ядерное оружие представляет огромную угрозу всему человечеству. Согласно расчетам, взрыв термоядерного заряда мощностью 20 Мт уничтожит все живое на расстоянии до 140 км от его эпицентра. В войне с применением такого оружия не будет ни победителей, ни побежденных. Поэтому народы многих стран борются за запрещение ядерного оружия при постепенном уничтожении того, что уже накоплено.

Но ядерные взрывы могут быть использованы не только в военных, но и в мирных целях. Например, подземные взрывы с использованием ядерного заряда применялись для крупномасштабных горных работ, добычи полезных ископаемых, создания в глубине пластичных пород специальных емкостей-хранилищ.

Термоядерные реакции играют также очень важную роль во многих астрофизических явлениях. Именно ими, например, обусловлено происхождение различных химических элементов в природе. Термоядерное происхождение имеет и та энергия, которая излучается Солнцем и другими звездами.