თერმობირთვული რეაქციების დაწყების აუცილებელი პირობაა. ბირთვული და თერმობირთვული რეაქციები

მსუბუქ ატომურ ბირთვებს შორის ბირთვულ რეაქციებს, რომლებიც ხდება ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე (10 7 10 8 K) ეწოდება თერმობირთვული რეაქციები. ამ რეაქციებში ბირთვები, რომლებიც განიცდიან ორმხრივ კულონურ მოგერიებას, წარმატებით გადალახეს შესაბამისი ელექტროსტატიკური ბარიერი (ნახ. 1), მიუახლოვდნენ მანძილს ბირთვული მიმზიდველი ძალების მოქმედების რადიუსის მიხედვით და ჩავარდნენ კარგად ჩამოყალიბებულ ღრმა პოტენციალში. მათ მიერ შეასრულონ ამა თუ იმ ეგზოენერგეტიკული (ანუ ენერგიის გამოყოფის თანხლებით) ბირთვული გადაწყობა. „ენერგიის გათავისუფლებაში“ ვგულისხმობთ ჭარბი კინეტიკური ენერგიის გამოყოფას რეაქციის პროდუქტებში, რაც უდრის ჯამური შებოჭვის ენერგიის ზრდას. ამრიგად, შედარებით ფხვიერი ბირთვები გადანაწილებულია უფრო მჭიდროდ შეკრულ ბირთვებად და ვინაიდან ბირთვები, რომლებსაც აქვთ ყველაზე მაღალი შემაკავშირებელი ენერგია ერთ ნუკლეონზე, მდებარეობს მენდელეევის პერიოდული ცხრილის შუა ნაწილში, ეგზოენერგეტიკული რეაქციის ყველაზე ტიპიური მექანიზმია. შერწყმაუმსუბუქესი ბირთვების (სინთეზი) უფრო მძიმე ბირთვებში. მიუხედავად იმისა, რომ ასევე არსებობს მსუბუქი ბირთვების დაშლის ეგზოენერგეტიკული რეაქციები. მაგალითად, 4 He ბირთვის განსაკუთრებული სიძლიერის გამო, რეაქცია შესაძლებელია

ზემოთ აღწერილ პროცესებს ეწოდება ბირთვული შერწყმის რეაქციები (NS).

კულონის ბარიერის გადალახვის მექანიზმის მიხედვით, ბირთვული რეაქციები შეიძლება დაიყოს ორ ძირითად კლასად: A - რეაქციები დაუმახინჯებელი ბარიერით, რომლებიც საჭიროებენ შეჯახების ბირთვების საკმარისად დიდ ფარდობით ენერგიას, რაც მათ გადაეცემათ. აჩქარება ან ძლიერი გათბობა; B – ეგრეთ წოდებული ცივი შერწყმის რეაქციები, რომლებიც შესაძლებელი ხდება თავად ბარიერის ძლიერი დამახინჯების შედეგად - უპირველეს ყოვლისა, მისი შევიწროება, გარე, ყველაზე ფართო ნაწილის „გათიშვის“ გამო.

A კლასის რეაქციები შეიძლება განხორციელდეს რომელიმე ამაჩქარებელში, ან ვარსკვლავური ინტერიერის მაღალტემპერატურულ პლაზმაში, ბირთვულ აფეთქებაში, მძლავრი აირის გამონადენში, ან ნივთიერების პლაზმაში, რომელიც გაცხელებულია ლაზერული გამოსხივების გიგანტური პულსით, დაბომბვა ნაწილაკების ინტენსიური სხივი და ა.შ.

B ტიპის რეაქციები ისეთი ფენომენების შედეგია, როგორიცაა:

ბირთვული რეაქციებისადმი მუდმივი ინტერესი და, პირველ რიგში, თერმობირთვული რეაქციების მიმართ, განპირობებულია იმით, რომ ისინი არიან:

- მზისა და ვარსკვლავების ძირითადი წყარო, აგრეთვე ქიმიური ელემენტების ატომური ბირთვების სინთეზის წინავარსკვლავური და ვარსკვლავური პროცესების მექანიზმი;

– ბირთვული აფეთქებისა და (თერმო-)ბირთვული იარაღის ერთ-ერთი ფიზიკური საფუძველი;

– კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის (CTF) საფუძველი, ეკონომიკურად და ეკოლოგიურად პერსპექტიული მიმართულება მომავლის ენერგეტიკულ სექტორში.

ცხრილში 1 ჩამოთვლილია მთელი რიგი რეაქციები, რომლებიც საინტერესოა CTS-ისთვის.

ცხრილი 1

ეგზოენერგეტიკული რეაქციები მსუბუქ ბირთვებს შორის

		ენერგიის გამოყოფა	(ენერგეტიკულ რეგიონში	ინციდენტური ნაწილაკების ენერგია, რესპ. , MeV
			0.16 2 მევ-ზე
			0.69 1.2 მევ-ზე

პ – პროტონი, დ- დეიტერონი (დეიტერიუმის ბირთვი 2 H), ტ- ტრიტონი (ტრიტიუმის ბირთვი 3 H), ნ- ნეიტრონი, ე + - პოზიტრონი, ν – ნიტრინო, γ – ფოტონი. ენერგიის განაწილება რეაქციის პროდუქტებს შორის ჩვეულებრივ უკუპროპორციულია მათი მასების.

შედეგების გაანალიზებისას უნდა გვახსოვდეს, რომ ნებისმიერი რეაქციის ჯვარი განყოფილება σ არის, უხეშად რომ ვთქვათ, კულონის ბარიერის გავლით გადაკვეთის პროდუქტი და შემდგომი ბირთვული ტრანსფორმაციის ალბათობა. პირველი, "კულონის" ფაქტორი, თავისი ბუნებით, უნივერსალურია ყველა თერმობირთვული რეაქციისთვის. ბარიერის სიმაღლე ე δ

სად და არის ბირთვული მუხტები და რ– მათი „რადიუსების“ ჯამი. ბირთვების კომბინაციებისთვისაც კი, მაგალითად, უმცირესთან, ეს არის 200 კევ. ნაწილაკების საშუალო ენერგია ვარსკვლავური ინტერიერების პლაზმისთვის ან CTS-ის თანამედროვე მიმართულებებისთვის, სადაც ყველაზე ტიპიური ტემპერატურაა (10 7  10 8) K, არის დაახლოებით (1  10) კევ. შესაბამისად, პოტენციური ბარიერის გადალახვა, როგორც წესი, გვირაბის ხასიათს ატარებს და, უფრო მეტიც, ბარიერის ქვეშ ღრმად, გადასასვლელს. გვირაბის ალბათობა ფარდობითი ენერგიის დროს ეშეჯახების ბირთვები გაცილებით ნაკლებია, ვიდრე ბარიერის სიმაღლე (), შეიძლება აღწერილი იყოს ცნობილი ექსპონენციალის შემზღუდველი ფორმით, კერძოდ:

სად არის ბირთვების ფარდობითი სიჩქარე,

- მათი შემცირებული მასა.

მეორე, "ბირთვული" ფაქტორი, რომელიც განსაზღვრავს თერმობირთვული რეაქციის განივი კვეთის ძირითად წესრიგს, სპეციფიკურია თითოეული კონკრეტული რეაქციისთვის. ამრიგად, ყველაზე მჭიდროდ შეკრული 4 He ბირთვის წარმოქმნის მქონე რეაქციებისთვის, ის დიდია და ჩვეულებრივ დამოკიდებულია ენერგიაზე რეზონანსულად. ეს ეხება, მაგალითად, მე-7 და მე-10 რეაქციებს, რომლებიც ყველაზე მნიშვნელოვანია CTS-სთვის, და ერთ-ერთ ჰიპოთეტურ პერსპექტიულ „სუფთა“ რეაქციას, ანუ ნეიტრონული რეაქციების გარეშე – რეაქცია 20. სუსტი ურთიერთქმედებით გამოწვეული რეაქციებისთვის ის უკიდურესად არის. პატარა. მაგალითად, რეაქცია 1, რომელიც ფუნდამენტურია მზის ენერგიის გამოყოფისთვის, პირდაპირ (ლაბორატორიაში) საერთოდ არ იყო დაფიქსირებული.

თერმობირთვული რეაქციის ინტენსივობა დამოკიდებულია პლაზმის სიმკვრივესა და ტემპერატურაზე. სიმკვრივეზე დამოკიდებულება განისაზღვრება იმით, რომ რეაქციები ხდება ბირთვებს შორის წყვილი შეჯახების შედეგად. რეაქციების რაოდენობა მოცულობის ერთეულზე დროის ერთეულზე არის, სადაც ნ 1 , ნ 2 – 1 და 2 კლასის ბირთვების კონცენტრაციები; კუთხის ფრჩხილები მიუთითებს საშუალო სიჩქარის განაწილებაზე, რომელიც შემდგომში ჩაითვლება მაქსველიანად. "არა ძალიან მაღალი" ტემპერატურის ზონაში თ ≤ (10 7 ÷10 8) K და რეზონანსის არარსებობის შემთხვევაში შეიძლება გამოიხატოს დაახლოებით ისეთი ფორმით, რომელიც უნივერსალურია ყველა არარეზონანსული რეაქციისთვის:

სადაც არის მოცემული რეაქციის მუდმივი მახასიათებელი. ეს ფორმულა მოქმედებს მხოლოდ მაჩვენებლის დიდი (1) მნიშვნელობებისთვის. შედეგად მიღებული ტემპერატურული დამოკიდებულება თავისთავად საკმაოდ ძლიერია, მაგრამ მაინც არ არის ისეთი მკვეთრი, როგორც, მაგალითად, ქიმიური რეაქციების სიჩქარის ტიპიური ტემპერატურული დამოკიდებულება.

თერმობირთვული რეაქციები არის მსუბუქი ბირთვების სინთეზის ეგზოთერმული რეაქციები, რომლებიც ეფექტურად წარმოიქმნება ულტრამაღალ ტემპერატურაზე (10 7 – 10 9 K რიგით), თვითმმართველობის გაგრძელების გამო მათში ენერგიის მნიშვნელოვანი განთავისუფლების გამო. მათში მაღალი ტემპერატურა აუცილებელია ისე, რომ ბირთვების თერმული მოძრაობის კინეტიკური ენერგია საკმარისი იყოს ბირთვების კულონის პოტენციური ბარიერის დასაძლევად, ბირთვული ძალების მიახლოებით მოქმედების რიგის მანძილთან და შემდგომში შერწყმის რეაქციის აგზნებასთან ერთად. ენერგიის გამოყოფა რეაქციის პროდუქტების ჭარბი კინეტიკური ენერგიის სახით.

როდესაც მსუბუქი ბირთვები ერწყმის და ქმნიან ახალ ბირთვს, დიდი რაოდენობით ენერგია უნდა გამოთავისუფლდეს. ეს შეიძლება დავინახოთ სპეციფიკური შებოჭვის ენერგიის მრუდიდან A მასის რიცხვთან (იხ. 8.1.2). ბირთვამდე, რომელთა მასის რაოდენობა დაახლოებით 60-მდეა, ნუკლეონის სპეციფიკური შებოჭვის ენერგია იზრდება A-სთან ერთად. შესაბამისად, ნებისმიერი ბირთვის სინთეზი A-სთან.< 60 из более лёгких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

იმისათვის, რომ ორი ბირთვი შევიდეს შერწყმის რეაქციაში, ისინი უნდა მიუახლოვდნენ ბირთვული ძალების მანძილს 2,10 -15 მ რიგით, დაძლიონ მათი დადებითი მუხტების ელექტრული მოგერიება. ამისთვის მოლეკულების თერმული მოძრაობის საშუალო კინეტიკური ენერგია უნდა აღემატებოდეს კულონის ურთიერთქმედების პოტენციურ ენერგიას. ამისათვის საჭირო T ტემპერატურის გამოთვლა მივყავართ 10 8 – 10 9 K რიგის მნიშვნელობამდე. ეს არის უკიდურესად მაღალი ტემპერატურა. ამ ტემპერატურაზე ნივთიერება იმყოფება სრულად იონიზებულ მდგომარეობაში, რომელსაც პლაზმა ეწოდება.

თერმობირთვული რეაქციების დროს გამოთავისუფლებული ენერგია თითო ნუკლეონზე რამდენჯერმე აღემატება ბირთვული დაშლის ჯაჭვურ რეაქციებში გამოთავისუფლებულ სპეციფიკურ ენერგიას. მაგალითად, განვიხილოთ რამდენიმე სინთეზური რეაქცია:

(Q=3,3 მევ); (8.48.55)

(Q=17,6 მევ);

(Q=22.4 მევ),

სად არის გამოთავისუფლებული ენერგია. მაგალითად, დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ბირთვების შერწყმის რეაქციაში გამოიყოფა 3,5 მევ/ნუკლეონი. საერთო ჯამში, ეს რეაქცია ათავისუფლებს 17.6 მევ. ეს არის ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული თერმობირთვული რეაქცია. თერმობირთვული რეაქციები იძლევა ენერგიის უდიდეს წვლილს „საწვავის“ მასაზე, ვიდრე ნებისმიერი სხვა ტრანსფორმაცია. მაგალითად, ერთ ჭიქა უბრალო წყალში დეიტერიუმის რაოდენობა ენერგიულად უდრის დაახლოებით 60 ლიტრ ბენზინს. გასაგებია კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციის განხორციელების ინტერესი.

კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა, რომელიც დაფუძნებულია თერმობირთვულ რეაქციებზე, არის ენერგიის ამოუწურავი წყარო და წარმოადგენს ეკოლოგიურად და ეკონომიკურად პერსპექტიულ მიმართულებას მომავლის ენერგეტიკულ სექტორში. კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმისთვის ყველაზე მნიშვნელოვანი რეაქციაა დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ბირთვების შერწყმა ჰელიუმის ბირთვის წარმოქმნით და 17,6 მევ ენერგიის გამოყოფით შერწყმის მოვლენაზე. შერწყმის რეაქციის დასაწყებად აუცილებელია დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ნარევი 100 მილიონ გრადუსზე მეტ ტემპერატურაზე გაცხელდეს. ამ ტემპერატურაზე ნარევი მთლიანად იონიზირებული პლაზმაა და ჩნდება სამუშაო მოცულობის კედლებიდან პლაზმური შეზღუდვის და ეფექტური თბოიზოლაციის პრობლემა. 1950 წელს აკადემიკოსებმა I.E. Tamm-მა და A.D. Sakharov-მა შემოგვთავაზეს პლაზმის შეზღუდვის და თერმული იზოლაციის იდეა სპეციალური კონფიგურაციის ძლიერი მაგნიტური ველით, რომელიც შექმნილია ტოროიდულ კამერაში მაგნიტური ხვეულებით. ეს იდეა საფუძვლად დაედო თერმობირთვული დანადგარების დიზაინს, სახელწოდებით tokamaks (მოკლედ „ტოროიდული კამერა მაგნიტური ხვეულებით“).

ამ სისტემების პირველი ექსპერიმენტული კვლევები სსრკ-ში დაიწყო 1956 წელს აკადემიკოსის ხელმძღვანელობით. L.A. არციმოვიჩი. თერმობირთვული შერწყმის შესწავლის თანამედროვე ეპოქის დასაწყისად უნდა ჩაითვალოს 1969 წელი, როდესაც რუსულმა ტოკამაკ-3 თერმობირთვულმა ინსტალაციამ პლაზმაში 1 მ 3 მოცულობით მიაღწია 3 მილიონ კ ტემპერატურას. 1975 წელს მსოფლიოში ყველაზე დიდი თერმობირთვული. ობიექტი ატომური ენერგიის ინსტიტუტში ამოქმედდა Tokamak-10 ინსტალაცია, რომელშიც 7-8 მილიონი K ტემპერატურის მქონე პლაზმა მიიღეს 5 მ 3 მოცულობით. ამჟამად ტოკამაკის ტიპის არსებულმა დანადგარებმა მიაღწია დაახლოებით 150 მილიონ კ ტემპერატურას (ევროპული ინსტალაცია JET - Joint Europpean Torus). 1988 წლიდან სსრკ (1992 წლიდან - რუსეთი), აშშ, ევროპის ქვეყნები და იაპონია ერთობლივად ავითარებენ პროექტს საერთაშორისო თერმობირთვული ექსპერიმენტული რეაქტორისთვის - ITER tokamak, რომელიც უნდა გახდეს პირველი ფართომასშტაბიანი ელექტროსადგური, რომელიც განკუთვნილია დიდი ხნის განმავლობაში. ვადიანი ოპერაცია. რეაქტორის სიმძლავრე უნდა იყოს მინიმუმ 500 მეგავატი. რეაქტორის გაშვება 2018 წელს იგეგმება, წყალბად-დეიტერიუმის პლაზმის წარმოება კი 2026 წელს იგეგმება.

თერმობირთვული რეაქციები უაღრესად მნიშვნელოვან როლს თამაშობს სამყაროს ევოლუციაში. პირველ რიგში, მზის და ვარსკვლავების გამოსხივების ენერგია თერმობირთვული წარმოშობისაა. მეორეც, თერმობირთვული რეაქციები არის ნუკლეოსინთეზის ერთ-ერთი მთავარი მექანიზმი.

ნორმალური ერთგვაროვანი ვარსკვლავებისთვის, მზის ჩათვლით, ბირთვული შერწყმა ხდება ეგრეთ წოდებული პროტონ-პროტონის, ანუ წყალბადის ციკლის მიხედვით. წყალბადის ციკლი(პროტონ-პროტონული ჯაჭვი) - ვარსკვლავებში თერმობირთვული რეაქციების თანმიმდევრობა, რომელიც იწვევს წყალბადის ჰელიუმად გარდაქმნას კატალიზატორის მონაწილეობის გარეშე; ენერგიის ძირითადი წყარო მასის მქონე ვარსკვლავებისთვის მ<1,2 Ქალბატონი (Ქალბატონი– მზის მასა) მათი არსებობის საწყის ეტაპზე. რეაქციების მთლიანი შედეგი, რომლებშიც ჰელიუმის ბირთვები იქმნება წყალბადისგან, შეიძლება ჩაიწეროს შემდეგნაირად:

4 2e++ 2 + 26,73 მევ.

რა თქმა უნდა, ასეთი ტრანსფორმაცია არ ხდება დაუყოვნებლივ, მაგრამ რამდენიმე ეტაპად. წყალბადის ციკლის ყველაზე მნიშვნელოვანი რეაქციებია შემდეგი:

რეაქციების ამ თანმიმდევრობის საბოლოო შედეგი (პროტონ-პროტონი ან წყალბადის ციკლი) არის წყალბადის ოთხი ბირთვის გარდაქმნა ჰელიუმის ატომის ბირთვად. ამ რეაქციის დროს გამოთავისუფლებული მთლიანი ენერგია არის 26,73 მევ. ამ რეაქციის დროს წარმოქმნილი ნეიტრინოები სუსტად ურთიერთქმედებენ მატერიასთან და ტოვებენ ვარსკვლავს და ატარებენ მათ ენერგიას - დაახლოებით 0,5 მევ (ე.წ. მზის ნეიტრინოები). ეს რეაქცია შეიძლება მოხდეს 13 მილიონი კ-ის ტემპერატურებზე. მზეზე წყალბადის ციკლის ყველა რეაქციის დაახლოებით 70% ამ სქემის მიხედვით ხდება. შემთხვევების 30% -ში მას შეუძლია დაუკავშირდეს და შემდეგ რეაქციები მიჰყვება შემდეგ ნიმუშს:

მზეზე წყალბადის ციკლი უფრო ეფექტურია, ვიდრე ნახშირბად-აზოტის ციკლი და უზრუნველყოფს ენერგიის გამოყოფის 98,4%-ს.

თუ ვარსკვლავში ნახშირბადის გარკვეული რაოდენობაა, მაშინ ეს შეიძლება მოხდეს ნახშირბად-აზოტის ციკლი- თერმობირთვული რეაქციების სერია, რომელიც იწვევს ჰელიუმის სინთეზს წყალბადისგან აზოტისა და ნახშირბადის მონაწილეობით, როგორც კატალიზატორები. ნახშირბად-აზოტის ციკლი ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად აღმოაჩინეს G. Bethe-მ და გერმანელმა ფიზიკოსმა და ასტროფიზიკოსმა K. von Weizsäcker-მა. ეს ციკლი შედგება ექვსი რეაქციისგან:

ამ ჯაჭვის საბოლოო შედეგია ოთხი პროტონის ტრანსფორმაცია ჰელიუმის ერთ ბირთვად, გამოყოფს 26,73 მევ ენერგიას, ხოლო 1,7 მევ-ს ნეიტრინო ატარებს. ვინაიდან რეაქციების ეს თანმიმდევრობა მოიცავს ნახშირბადის და აზოტის ბირთვებს, მას ნახშირბად-აზოტის ციკლი ეწოდება. ნახშირბად-აზოტის ციკლი არის ენერგიის მთავარი წყარო ვარსკვლავებისთვის, რომელთა მასა მზის მასაზე მეტია 1,2. ამ ვარსკვლავების ცენტრში ტემპერატურა დაახლოებით 20 მილიონი K-ია და ნახშირბად-აზოტის ციკლი უფრო ეფექტურია ვიდრე წყალბადის. ნახშირბად-აზოტის ციკლი ასევე ხდება მზეზე, მაგრამ ის უზრუნველყოფს ენერგიის გამოყოფის მხოლოდ 1,6%-ს. მზის სიღრმეში ყოველ წამში იწვის 3,6∙10 38 პროტონი, ე.ი. დაახლოებით 630 მილიონი ტონა წყალბადი გარდაიქმნება ჰელიუმად. ამ შემთხვევაში, მზის რადიაციული სიმძლავრეა 3,86∙10 26 W.

სატესტო კითხვები მოსწავლეთა თვითმომზადებისთვის:

1. რა სახის რადიოაქტიურობა იცით?

2. რადიოაქტიური დაშლის კანონი. ოფსეტური წესები.

3. გაფუჭების კანონზომიერებები.

4. რა არის ნეიტრინო? რა დაშლის დროს გამოიყოფა?

5. რა ფენომენებს ახლავს რადიაციის გავლა მატერიაში და რა არის მათი არსი?

6. ბირთვული რეაქციების სახეები.

7. რომელი ნაწილაკების გავლენით არის უფრო ეფექტური ბირთვული რეაქციები?

8. რა არის ბირთვული დაშლის რეაქცია?

9. რატომ ახლავს მძიმე ბირთვების გაყოფას და ატომის ბირთვების შერწყმას დიდი რაოდენობით ენერგიის გამოყოფა?

10. რა კრიტერიუმებით შეიძლება დაიყოს ბირთვული რეაქტორები?

ლიტერატურული წყაროები:

1. ტროფიმოვა, თ.ი. ფიზიკის კურსი: სახელმძღვანელო. სახელმძღვანელო უნივერსიტეტებისთვის / T.I. ტროფიმოვა. – M.: ACADEMIA, 2008 წ.

2. საველიევი, ი.ვ. ზოგადი ფიზიკის კურსი: სახელმძღვანელო. სახელმძღვანელო კოლეჯებისთვის: 3 ტომად / I.V. Savelyev. – SPb.: სპეციალური. განათება, 2005 წ.

არსებობს შეჯახებული ბირთვების საკმარისად დიდი ფარდობითი ენერგიები, რომლებიც აუცილებელია ბირთვების (როგორც ანალოგიურად დამუხტული ნაწილაკების) ურთიერთ მოგერიებით გამოწვეული ელექტროსტატიკური ბარიერის დასაძლევად. ამის გარეშე ბირთვების მიახლოება შეუძლებელია ბირთვული ძალების მოქმედების რადიუსის თანმიმდევრობით და, შესაბამისად, ბირთვების „რესტრუქტურიზაცია“, რაც ხდება მაშინ. თერმობირთვული რეაქციებიᲐმიტომაც თერმობირთვული რეაქციებიბუნებრივ პირობებში ისინი წარმოიქმნება მხოლოდ ვარსკვლავების სიღრმეში და დედამიწაზე მათი განხორციელებისთვის აუცილებელია ნივთიერების ძლიერი გაცხელება ბირთვული აფეთქებით, ძლიერი გაზის გამონადენით, ლაზერული გამოსხივების გიგანტური პულსით ან ინტენსიური სხივით დაბომბვით. ნაწილაკების.

თერმობირთვული რეაქციები, როგორც წესი, არის მჭიდროდ შეკრული ბირთვების წარმოქმნის პროცესები უფრო ფხვიერიდან და, შესაბამისად, თან ახლავს ენერგიის განთავისუფლებას (უფრო ზუსტად, ჭარბი კინეტიკური ენერგიის გამოყოფა რეაქციის პროდუქტებში, რაც უდრის შემაკავშირებელ ენერგიას). უფრო მეტიც, მენდელეევის ელემენტების პერიოდული ცხრილის შუა ნაწილზე ამ „ეგზოენერგეტიკული“ გადასვლის მექანიზმი აქ საპირისპიროა მძიმე ბირთვების დაშლის დროს: თითქმის ყველა პრაქტიკულად საინტერესოა. თერმობირთვული რეაქციები- ეს არის მსუბუქი ბირთვების შერწყმის (სინთეზის) რეაქციები უფრო მძიმეებში. თუმცა არსებობს გამონაკლისები: ბირთვის 4 (a-ნაწილაკის) განსაკუთრებული სიძლიერის გამო, შესაძლებელია მსუბუქი ბირთვების დაშლის ეგზოენერგეტიკული რეაქციები (ერთ-ერთი მათგანი, „სუფთა“ რეაქცია 11 + p ® 3 4 He + 8.6 მაევი,ბოლო დროს დაინტერესდა).

დიდი ენერგიის გამოყოფა რიცხვში თერმობირთვული რეაქციებიგანსაზღვრავს მათი შესწავლის მნიშვნელობას ასტროფიზიკის, ასევე გამოყენებითი ბირთვული ფიზიკისა და ბირთვული ენერგიისათვის. გარდა ამისა, როლი ძალიან საინტერესოა თერმობირთვული რეაქციებიქიმიური ელემენტების ატომური ბირთვების სინთეზის პრევარსკვლავურ და ვარსკვლავურ პროცესებში (ნუკლეოგენეზი).

სიჩქარეები თერმობირთვული რეაქციები მაგიდაზე 1 რიგისთვის თერმობირთვული რეაქციებიენერგიის გათავისუფლების მნიშვნელობები, ალბათობის დამახასიათებელი ძირითადი რაოდენობა თერმობირთვული რეაქციები-მაქსიმუმ ეფექტური კვეთა (ს max, და შემხვედრი ნაწილაკების შესაბამისი ენერგია (რეაქციის ფორმულაში - ჯერ მარცხნიდან).

ჯვარედინი მონაკვეთების ძალიან დიდი გაფანტვის მთავარი მიზეზი თერმობირთვული რეაქციები- მკვეთრი განსხვავება თავად ბირთვული ("პოსტ-ბარიერი") ტრანსფორმაციების ალბათობებში. ამრიგად, რეაქციების უმეტესობისთვის, რომელსაც თან ახლავს ყველაზე მჭიდროდ შეკრული 4 He ბირთვის წარმოქმნა, განივი კვეთა დიდია, ხოლო რეაქციების შემთხვევაში, რომლებიც გამოწვეულია სუსტი ურთიერთქმედება (მაგალითად, p + p ® D + e + + n), ის ძალიან მცირეა.

თერმობირთვული რეაქციებიწარმოიქმნება ბირთვებს შორის წყვილი შეჯახების შედეგად, ამიტომ მათი რაოდენობა ერთეულ მოცულობაზე დროის ერთეულზე უდრის n 1 n 2<vs(v)>, სად n 1, n 2 - 1-ლი და მე-2 კლასის ბირთვების კონცენტრაცია (თუ ბირთვები ერთი და იგივე ტიპისაა, მაშინ n 1 n 2უნდა შეიცვალოს ნ 2), v-შეჯახებული ბირთვების ფარდობითი სიჩქარე, კუთხის ფრჩხილები ნიშნავს ბირთვების სიჩქარეზე საშუალოდ ვ[რომლის განაწილება შემდგომში ვარაუდობენ, რომ მაქსველისეულია (იხ. მაქსველის განაწილება )].

სიჩქარის ტემპერატურაზე დამოკიდებულება თერმობირთვული რეაქციებიმულტიპლიკატორით განსაზღვრული< vs(v)>. "არა ძალიან მაღალი" ტემპერატურის პრაქტიკულად მნიშვნელოვან შემთხვევაში თ< (10 7 ¸10 8) K ის დაახლოებით შეიძლება გამოისახოს ყველასთვის ერთნაირი ფორმით თერმობირთვული რეაქციებიამ შემთხვევაში შედარებითი ენერგიები ეშეჯახებული ბირთვები, როგორც წესი, მნიშვნელოვნად დაბალია კულონის ბარიერის სიმაღლეზე (ეს უკანასკნელი კი ბირთვების კომბინაციისთვის ყველაზე დაბალი მუხტით ზ= 1 არის ~ 200 კევი,რაც შეესაბამება, თანაფარდობის მიხედვით E = kT, T ~ 2×10 9 ) და, შესაბამისად, ფორმა s(v)განისაზღვრება ძირითადად ბარიერში „გვირაბის“ გავლის ალბათობით (იხ. გვირაბის ეფექტი ), და არა თავად ბირთვული ურთიერთქმედებით, რაც ზოგიერთ შემთხვევაში განსაზღვრავს დამოკიდებულების „რეზონანსულ“ ხასიათს s(v)(ეს არის ეს დამოკიდებულება, რომელიც ვლინდება ცხრილის 1-ში მოცემული s max მნიშვნელობებიდან ყველაზე დიდში). შედეგი ასე გამოიყურება

< vs(v)> = const× T -2/3ექს)

სადაც const არის მოცემული რეაქციის მუდმივი მახასიათებელი, ზ 1 , ზ 2 - ბირთვების შეჯახების მუხტი, - მათი შემცირებული მასა, e -ელექტრონის მუხტი, - პლანკის მუდმივი,კ- ბოლცმანის მუდმივი.
ცხრილი 1

	რეაქცია	ენერგიის გამოყოფა მევ	s max, ბეღელი (ენერგეტიკულ რეგიონში £1 მევ)	ინციდენტის ნაწილაკების ენერგია, რომელიც შეესაბამება s max-ს არის მევ
1	p + p ® D + e + + v p + D ® 3 He + g D + D ® 3 He + n D + D ® 4 He + გ D + T ® 4 He + n T + D ® 4 He + n T + T ® 4 He + 2n D + 3 He ® 4 He + გვ p + 6 Li ® 4 He + 3 He p + 7 Li ® 2 4 He + გ D + 6 Li ® 7 Li + გვ D + 6 Li ® 2 4 He მაგიდა 2. - წყალბადის ციკლი რეაქცია ენერგიის გამოყოფა, MeV რეაქციის საშუალო დრო р + р ® D+e + + v e + + e – ®2გ p + D ® 3 He + g 3 ის + 3 ის ® 4 ის + 2р 2×0.164 + (2×0.257) 1.4×10 10 წლები 5,7 წმ 10 6 წელი სულ 4p ® 4 He + 2e + 26,21 + (0,514) წყალბადის ციკლი იყოფა 3 ვარიანტად. საკმარისად მაღალი კონცენტრაციით 4 He და თ> (10 ¸ 15) მილიონი K, მთლიანი ენერგიის გამოყოფაზე იწყება pp ციკლის სხვა განშტოების დომინირება, რომელიც განსხვავდება ცხრილი 2-ში ნაჩვენები რეაქციის 3 He + 3 He ჯაჭვით ჩანაცვლებით: 3 He + 4 He ® 7 Be + g, 7 Be + e –® 7 Li + გ, p + 7 Li ® 2 4 He, და კიდევ უფრო მაღლა T -მესამე ფილიალი: 3 He + 4 He ® 7 Be + g, p + 7 Be ® 8 B + g, მაგიდა 3. - ნახშირბადის ციკლი რეაქცია ენერგიის გამოყოფა, MeV რეაქციის საშუალო დრო р + 12 С ® 13 + გ 1,95 1.3×10 7 წლები 13 ® 13 C + e + + v 1,50(0,72) 7,0 წთ р + 13 С ® 14 + გ 7,54 2.7×10 6 წლები p + 14 ® 15 O + გ 7,35 3.3×10 8 წლები 15 O ® 15 + e + +v 1,73 + (0,98) 82 წმ p + 15 ® 12 C + 4 მან 4,96 1.1×10 5 წელი სულ 4p ® 4 He + 2e + 25,03 + (1,70) ამ ციკლის, როგორც ენერგიის წყაროს ძალა მცირეა. თუმცა, როგორც ჩანს, მას დიდი მნიშვნელობა აქვს ნუკლეოგენეზისთვის, რადგან ციკლის ერთ-ერთი შუალედური ბირთვი (21 Ne) შეიძლება იყოს ნეიტრონების წყარო: 21 Ne + 4 He ® 24 Mg + n (მსგავსი როლი შეიძლება შეასრულოს C ბირთვით, რომელიც ჩართულია - ციკლში). ნეიტრონების შემდგომი „ჯაჭვის“ დაჭერა, ბ - დაშლის პროცესების მონაცვლეობით, არის მექანიზმი სულ უფრო მძიმე ბირთვების სინთეზისთვის. ენერგიის გათავისუფლების საშუალო ინტენსივობა e ტიპიურ ვარსკვლავურ სხეულებში თერმობირთვული რეაქციებიმიწიერ მასშტაბებზე უმნიშვნელოა. ასე რომ, მზისთვის (საშუალოდ 1 გმზის მასა). ეს გაცილებით ნაკლებია, მაგალითად, ცოცხალ ორგანიზმში ენერგიის გამოყოფის სიჩქარე მეტაბოლური პროცესის დროს. თუმცა, მზის უზარმაზარი მასის გამო (2×10 33 გ) მის მიერ გამოსხივებული მთლიანი სიმძლავრე (4×10 26 სამ) უკიდურესად დიდია (ეს შეესაბამება მზის მასის შემცირებას ყოველ წამში ~ 4 მილიონით). თ) და მისი მცირე ნაწილიც კი საკმარისია იმისათვის, რომ გადამწყვეტი გავლენა იქონიოს დედამიწის ზედაპირის ენერგეტიკულ ბალანსზე, სიცოცხლეზე და ა.შ. მზისა და ვარსკვლავების კოლოსალური ზომებისა და მასების გამო, ისინი იდეალურად წყვეტენ პლაზმური შეზღუდვის (ამ შემთხვევაში, გრავიტაციული) და თბოიზოლაციის პრობლემას: თერმობირთვული რეაქციებიხდება ვარსკვლავის ცხელ ბირთვში და სითბოს გადაცემა ხდება შორეული და გაცილებით ცივი ზედაპირიდან. ეს არის ერთადერთი მიზეზი, რის გამოც ვარსკვლავებს შეუძლიათ ეფექტურად გამოიმუშაონ ენერგია ისეთ ნელ პროცესებში, როგორიცაა pp- და - ციკლები (ცხრილები 2 და 3). ხმელეთის პირობებში ეს პროცესები პრაქტიკულად შეუძლებელია; მაგალითად, ფუნდამენტური რეაქცია p + p ® D + e + + + n პირდაპირ საერთოდ არ დაფიქსირებულა. თერმობირთვული რეაქციებიხმელეთის პირობებში.დედამიწაზე აზრი აქვს გამოიყენოს მხოლოდ ყველაზე ეფექტური თერმობირთვული რეაქციები, ასოცირდება წყალბადის იზოტოპების D და T მონაწილეობასთან. მსგავსი თერმობირთვული რეაქციებიშედარებით დიდი მასშტაბით ჯერჯერობით განხორციელდა მხოლოდ თერმობირთვული ან წყალბადის ბომბების საცდელი აფეთქებები (იხ. Ატომური იარაღი ). ასეთი ბომბის აფეთქების დროს გამოთავისუფლებული ენერგია (10 23 - 10 24 ერგ), აღემატება მთელ მსოფლიოში ელექტროენერგიის ყოველკვირეულ წარმოებას და შედარებულია მიწისძვრებისა და ქარიშხლების ენერგიასთან. სავარაუდო რეაქციის სქემა თერმობირთვულ ბომბში მოიცავს თერმობირთვული რეაქციები 12, 7, 4 და 5 (ცხრილი 1). სხვები განიხილეს თერმობირთვულ აფეთქებებთან დაკავშირებით. თერმობირთვული რეაქციებიმაგალითად 16,14, 3. გამოყენებით თერმობირთვული რეაქციებიშეიძლება გამოჩნდეს მშვიდობიანი მიზნებისთვის კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა (UTS), რომელთანაც იმედები ამყარებს კაცობრიობის ენერგეტიკული პრობლემების გადაჭრას, რადგან ოკეანეების წყალში შემავალი დეიტერიუმი არის იაფი საწვავის თითქმის ამოუწურავი წყარო კონტროლირებადებისთვის. თერმობირთვული რეაქციებიყველაზე დიდი პროგრესი CTS-ის კვლევაში მიღწეული იქნა საბჭოთა ტოკამაკის პროგრამის ფარგლებში. მსგავსი პროგრამები 70-იანი წლების შუა პერიოდისთვის. მე -20 საუკუნე დაიწყო ენერგიული განვითარება რიგ სხვა ქვეყნებში. TCB-სთვის ყველაზე მნიშვნელოვანია თერმობირთვული რეაქციები 7.5 და 4 [ისევე 12 ძვირადღირებული T-ის რეგენერაციისთვის]. ენერგეტიკული მიზნების მიუხედავად, თერმობირთვული რეაქტორი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც სწრაფი ნეიტრონების მძლავრი წყარო. თუმცა, "სუფთა" ასევე მნიშვნელოვანი ყურადღება მიიპყრო. თერმობირთვული რეაქციები, რომლებიც არ წარმოქმნიან ნეიტრონებს, მაგალითად 10, 20 (ცხრილი 1). ნათ.: Artsimovich L. A., კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციები, 2nd ed., M., 1963; ფრანკ-კამენეცკი დ.ა., ფიზიკური პროცესები ვარსკვლავებში, მ., 1959; თერმობირთვული რეაქციები, წიგნში: თანამედროვე ფიზიკის პრობლემები, მ., 1954, ვ. 1; ფაულერი. A., Caughlan G. R., Zimmerman V. A., “Annual Review of Astronomy and Astrophysics”, 1967, ვ. 5, გვ. 525. V. I. კოგანი. სტატია სიტყვის შესახებ " თერმობირთვული რეაქციებიდიდ საბჭოთა ენციკლოპედიაში წაიკითხეს 22360-ჯერ

პრინსტონის პლაზმური ფიზიკის ლაბორატორიის მეცნიერებმა შემოგვთავაზეს ყველაზე გრძელვადიანი ბირთვული შერწყმის მოწყობილობის იდეა, რომელსაც შეუძლია 60 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში მუშაობა. ამ დროისთვის ეს რთული ამოცანაა: მეცნიერები იბრძვიან იმისთვის, რომ თერმობირთვულმა რეაქტორმა რამდენიმე წუთი და შემდეგ წლები იმუშაოს. მიუხედავად სირთულისა, თერმობირთვული რეაქტორის მშენებლობა ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული ამოცანაა მეცნიერებაში, რომელსაც შეუძლია უზარმაზარი სარგებელი მოიტანოს. ჩვენ გეტყვით რა უნდა იცოდეთ თერმობირთვული შერწყმის შესახებ.

1. რა არის თერმობირთვული შერწყმა?

ნუ შეგაშინებთ ამ უხერხულმა ფრაზამ, ის სინამდვილეში საკმაოდ მარტივია. შერწყმა არის ბირთვული რეაქციის სახეობა.

ბირთვული რეაქციის დროს ატომის ბირთვი ურთიერთქმედებს ელემენტარულ ნაწილაკთან ან სხვა ატომის ბირთვთან, რის გამოც იცვლება ბირთვის შემადგენლობა და სტრუქტურა. მძიმე ატომის ბირთვი შეიძლება დაიშალოს ორ ან სამ მსუბუქ ბირთვად - ეს არის დაშლის რეაქცია. ასევე არსებობს შერწყმის რეაქცია: ეს არის მაშინ, როდესაც ორი მსუბუქი ატომის ბირთვი ერწყმის ერთ მძიმე ბირთვს.

ბირთვული დაშლისგან განსხვავებით, რომელიც შეიძლება მოხდეს სპონტანურად ან იძულებით, ბირთვული შერწყმა შეუძლებელია გარე ენერგიის მიწოდების გარეშე. მოგეხსენებათ, საპირისპიროები იზიდავენ, მაგრამ ატომის ბირთვები დადებითად არის დამუხტული - ასე რომ ისინი მოგერიებენ ერთმანეთს. ამ სიტუაციას კულონის ბარიერი ეწოდება. მოგერიების დასაძლევად ეს ნაწილაკები გიჟურ სიჩქარემდე უნდა აჩქარდეს. ეს შეიძლება გაკეთდეს ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე - რამდენიმე მილიონი კელვინის ბრძანებით. სწორედ ამ რეაქციებს უწოდებენ თერმობირთვულს.

2. რატომ გვჭირდება თერმობირთვული შერწყმა?

ბირთვული და თერმობირთვული რეაქციების დროს გამოიყოფა უზარმაზარი ენერგია, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა მიზნებისთვის - შეგიძლიათ შექმნათ ძლიერი იარაღი, ან შეგიძლიათ გადააქციოთ ბირთვული ენერგია ელექტროენერგიად და მიაწოდოთ იგი მთელ მსოფლიოს. ბირთვული დაშლის ენერგია დიდი ხანია გამოიყენება ატომურ ელექტროსადგურებში. მაგრამ თერმობირთვული ენერგია უფრო პერსპექტიულად გამოიყურება. თერმობირთვული რეაქციის დროს, გაცილებით მეტი ენერგია გამოიყოფა თითოეული ნუკლეონისთვის (ე.წ. შემადგენელი ბირთვები, პროტონები და ნეიტრონები), ვიდრე ბირთვული რეაქციის დროს. მაგალითად, როდის ურანის ბირთვის ერთ ნუკლეონში დაყოფა წარმოქმნის 0,9 მევ-ს (მეგაელექტრონვოლტი) და როდესაცჰელიუმის ბირთვების შერწყმისას წყალბადის ბირთვებიდან გამოიყოფა 6 მევ-ის ტოლი ენერგია. ამიტომ, მეცნიერები სწავლობენ თერმობირთვული რეაქციების განხორციელებას.

თერმობირთვული შერწყმის კვლევა და რეაქტორის მშენებლობა შესაძლებელს ხდის მაღალტექნოლოგიური წარმოების გაფართოებას, რაც სასარგებლოა მეცნიერებისა და მაღალტექნოლოგიური სხვა სფეროებში.

3. რა არის თერმობირთვული რეაქციები?

თერმობირთვული რეაქციები იყოფა თვითშენარჩუნებულ, უკონტროლო (გამოიყენება წყალბადის ბომბებში) და კონტროლირებად (მშვიდობიანი მიზნებისთვის გამოსადეგი).

თვითშენარჩუნებული რეაქციები ხდება ვარსკვლავების ინტერიერში. თუმცა, დედამიწაზე არ არსებობს პირობები ასეთი რეაქციების განსახორციელებლად.

ხალხი დიდი ხანია ატარებს უკონტროლო ან ფეთქებადი თერმობირთვული შერწყმას. 1952 წელს, ოპერაცია აივი მაიკის დროს, ამერიკელებმა ააფეთქეს მსოფლიოში პირველი თერმობირთვული ასაფეთქებელი მოწყობილობა, რომელსაც, როგორც იარაღს, პრაქტიკული ღირებულება არ გააჩნდა. ხოლო 1961 წლის ოქტომბერში გამოსცადეს მსოფლიოში პირველი თერმობირთვული (წყალბადის) ბომბი ("ცარ ბომბა", "კუზკას დედა"), რომელიც საბჭოთა მეცნიერებმა შექმნეს იგორ კურჩატოვის ხელმძღვანელობით. ეს იყო ყველაზე მძლავრი ასაფეთქებელი მოწყობილობა კაცობრიობის მთელ ისტორიაში: აფეთქების მთლიანი ენერგია, სხვადასხვა წყაროების მიხედვით, მერყეობდა 57-დან 58,6 მეგატონამდე TNT-მდე. წყალბადის ბომბის ასაფეთქებლად საჭიროა უპირველესად მაღალი ტემპერატურის მიღება ჩვეულებრივი ბირთვული აფეთქების დროს - მხოლოდ ამის შემდეგ დაიწყება ატომური ბირთვების რეაქცია.

უკონტროლო ბირთვული რეაქციის დროს აფეთქების ძალა ძალიან მაღალია და გარდა ამისა, მაღალია რადიოაქტიური დაბინძურების წილი. ამიტომ თერმობირთვული ენერგიის მშვიდობიანი მიზნებისთვის გამოსაყენებლად აუცილებელია ვისწავლოთ მისი კონტროლი.

4. რა არის საჭირო კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციისთვის?

დაიჭირე პლაზმა!

გაუგებარია? ახლა ავხსნათ.

პირველი, ატომის ბირთვები. ბირთვულ ენერგიაში გამოიყენება იზოტოპები - ატომები, რომლებიც განსხვავდებიან ერთმანეთისგან ნეიტრონების რაოდენობით და, შესაბამისად, ატომური მასით. წყალბადის იზოტოპი დეიტერიუმი (D) მიიღება წყლისგან. ზემძიმე წყალბადი ან ტრიტიუმი (T) არის წყალბადის რადიოაქტიური იზოტოპი, რომელიც წარმოადგენს ჩვეულებრივ ბირთვულ რეაქტორებში განხორციელებული დაშლის რეაქციების ქვეპროდუქტს. ასევე თერმობირთვულ რეაქციებში გამოიყენება წყალბადის მსუბუქი იზოტოპი - პროტიუმი: ეს არის ერთადერთი სტაბილური ელემენტი, რომელსაც არ აქვს ნეიტრონები ბირთვში. ჰელიუმი-3 დედამიწაზე უმნიშვნელო რაოდენობითაა ნაპოვნი, მაგრამ ის ბევრია მთვარის ნიადაგში (რეგოლითი): 80-იან წლებში NASA-მ შეიმუშავა გეგმა ჰიპოთეტური დანადგარების შესახებ რეგოლითის დასამუშავებლად და ღირებული იზოტოპის გასათავისუფლებლად. მაგრამ ჩვენს პლანეტაზე კიდევ ერთი იზოტოპია გავრცელებული - ბორი-11. დედამიწაზე ბორის 80% არის იზოტოპი, რომელიც აუცილებელია ბირთვული მეცნიერებისთვის.

მეორეც, ტემპერატურა ძალიან მაღალია. თერმობირთვული რეაქციაში მონაწილე ნივთიერება უნდა იყოს თითქმის მთლიანად იონიზებული პლაზმა - ეს არის აირი, რომელშიც ცალკე ცურავს თავისუფალი ელექტრონები და სხვადასხვა მუხტის იონები. ნივთიერების პლაზმად გადაქცევისთვის საჭიროა 10 7-10 8 K ტემპერატურა - ეს არის ასობით მილიონი გრადუსი ცელსიუსი! ასეთი ულტრა მაღალი ტემპერატურის მიღწევა შესაძლებელია პლაზმაში მაღალი სიმძლავრის ელექტრული გამონადენის შექმნით.

თუმცა, თქვენ არ შეგიძლიათ უბრალოდ გაათბოთ საჭირო ქიმიური ელემენტები. ასეთ ტემპერატურაზე ნებისმიერი რეაქტორი მყისიერად აორთქლდება. ეს მოითხოვს სრულიად განსხვავებულ მიდგომას. დღეს შესაძლებელია პლაზმის შეკავება შეზღუდულ ტერიტორიაზე ულტრამძლავრი ელექტრო მაგნიტების გამოყენებით. მაგრამ ჯერ კიდევ ვერ მოხერხდა თერმობირთვული რეაქციის შედეგად მიღებული ენერგიის სრულად გამოყენება: მაგნიტური ველის გავლენითაც კი პლაზმა ვრცელდება სივრცეში.

5. რომელი რეაქციებია ყველაზე პერსპექტიული?

ძირითადი ბირთვული რეაქციები, რომლებიც დაგეგმილია კონტროლირებადი შერწყმისთვის, გამოიყენებს დეიტერიუმს (2H) და ტრიტიუმს (3H), ხოლო გრძელვადიან პერსპექტივაში ჰელიუმ-3 (3He) და ბორი-11 (11B).

აი, როგორ გამოიყურება ყველაზე საინტერესო რეაქციები.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) - დეიტერიუმ-ტრიტიუმის რეაქცია.

2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%

2 D+ 2 D -> 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50% - ეს არის ე.წ. დეიტერიუმის მონოპროპელანტი.

1 და 2 რეაქციები სავსეა ნეიტრონების რადიოაქტიური დაბინძურებით. ამიტომ, "ნეიტრონისგან თავისუფალი" რეაქციები ყველაზე პერსპექტიულია.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) - დეიტერიუმი რეაგირებს ჰელიუმ-3-თან. პრობლემა ის არის, რომ ჰელიუმ-3 ძალზე იშვიათია. თუმცა, ნეიტრონისგან თავისუფალი გამოსავალი ამ რეაქციას პერსპექტიულს ხდის.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - ბორი-11 რეაგირებს პროტიუმთან, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ალფა ნაწილაკები, რომლებიც შეიძლება შეიწოვოს ალუმინის ფოლგამ.

6. სად უნდა განხორციელდეს ასეთი რეაქცია?

ბუნებრივი თერმობირთვული რეაქტორი არის ვარსკვლავი. მასში პლაზმა ინარჩუნებს გრავიტაციის გავლენის ქვეშ და რადიაცია შეიწოვება - ამრიგად, ბირთვი არ გაცივდება.

დედამიწაზე თერმობირთვული რეაქციები შეიძლება განხორციელდეს მხოლოდ სპეციალურ დანადგარებში.

პულსის სისტემები. ასეთ სისტემებში დეიტერიუმი და ტრიტიუმი დასხივებულია ულტრამძლავრი ლაზერის სხივებით ან ელექტრონ/იონური სხივებით. ასეთი დასხივება იწვევს თერმობირთვული მიკროაფეთქებების თანმიმდევრობას. თუმცა, ასეთი სისტემები წამგებიანია სამრეწველო მასშტაბით გამოსაყენებლად: ატომების აჩქარებაზე გაცილებით მეტი ენერგია იხარჯება, ვიდრე მიიღება შერწყმის შედეგად, ვინაიდან ყველა აჩქარებული ატომ არ რეაგირებს. აქედან გამომდინარე, ბევრი ქვეყანა აშენებს კვაზი-სტაციონალურ სისტემებს.

კვაზი-სტაციონარული სისტემები. ასეთ რეაქტორებში პლაზმას შეიცავს მაგნიტური ველი დაბალ წნევაზე და მაღალ ტემპერატურაზე. არსებობს სამი ტიპის რეაქტორი, რომელიც დაფუძნებულია სხვადასხვა მაგნიტური ველის კონფიგურაციებზე. ეს არის ტოკამაკები, ვარსკვლავები (ტორსატრონები) და სარკის ხაფანგები.

ტოკამაკინიშნავს "ტოროიდულ კამერას მაგნიტური ხვეულებით". ეს არის "დონატის" (ტორუსის) ფორმის კამერა, რომელზედაც ხვეულია დახვეული. ტოკამაკის მთავარი მახასიათებელია ალტერნატიული ელექტრული დენის გამოყენება, რომელიც მიედინება პლაზმაში, ათბობს მას და თავის ირგვლივ მაგნიტურ ველს ქმნის, იკავებს მას.

IN ვარსკვლავიერი (ტორსატრონი)მაგნიტურ ველს მთლიანად შეიცავს მაგნიტური ხვეულები და, ტოკამაკისგან განსხვავებით, მისი უწყვეტი მუშაობა შესაძლებელია.

ზ სარკე (ღია) ხაფანგებიგამოიყენება ასახვის პრინციპი. პალატა ორივე მხრიდან დახურულია მაგნიტური "შტეფსებით", რომლებიც ასახავს პლაზმას და ინახავს მას რეაქტორში.

დიდი ხნის განმავლობაში სარკის ხაფანგები და ტოკამაკები პირველობისთვის იბრძოდნენ. თავდაპირველად, ხაფანგის კონცეფცია უფრო მარტივი და, შესაბამისად, იაფი ჩანდა. 60-იანი წლების დასაწყისში ღია ხაფანგები უხვად იყო დაფინანსებული, მაგრამ პლაზმის არასტაბილურობამ და მისი მაგნიტური ველით შეკავების წარუმატებელმა მცდელობებმა აიძულა ეს დანადგარები უფრო გართულებულიყო - ერთი შეხედვით მარტივი სტრუქტურები გადაიქცა ჯოჯოხეთურ მანქანებად და შეუძლებელი იყო მიღწეული. სტაბილური შედეგი. ამიტომ 80-იან წლებში წინა პლანზე წამოვიდა ტოკამაკები. 1984 წელს გამოუშვეს ევროპული JET tokamak, რომლის ღირებულება მხოლოდ 180 მილიონი დოლარი იყო და მისი პარამეტრები თერმობირთვული რეაქციის საშუალებას იძლეოდა. სსრკ-სა და საფრანგეთში შეიქმნა სუპერგამტარი ტოკამაკები, რომლებიც თითქმის არ ხარჯავდნენ ენერგიას მაგნიტური სისტემის მუშაობაზე.

7. ვინ სწავლობს ახლა თერმობირთვული რეაქციების განხორციელებას?

ბევრი ქვეყანა აშენებს საკუთარ თერმობირთვულ რეაქტორებს. ყაზახეთს, ჩინეთს, აშშ-ს და იაპონიას აქვთ საკუთარი ექსპერიმენტული რეაქტორები. კურჩატოვის ინსტიტუტი მუშაობს IGNITOR რეაქტორზე. გერმანიამ გაუშვა Wendelstein 7-X სინთეზური ვარსკვლავური რეაქტორი.

ყველაზე ცნობილია საერთაშორისო ტოკამაკის პროექტი ITER (ITER, საერთაშორისო თერმობირთვული ექსპერიმენტული რეაქტორი) კადარაშის კვლევით ცენტრში (საფრანგეთი). მისი მშენებლობა 2016 წელს უნდა დასრულებულიყო, მაგრამ საჭირო ფინანსური მხარდაჭერის ოდენობა გაიზარდა და ექსპერიმენტების დრო 2025 წლამდე გადავიდა. ITER-ის საქმიანობაში მონაწილეობენ ევროკავშირი, აშშ, ჩინეთი, ინდოეთი, იაპონია, სამხრეთ კორეა და რუსეთი. ევროკავშირი უჭირავს ძირითად წილს დაფინანსებაში (45%), ხოლო დანარჩენი მონაწილეები აწვდიან მაღალტექნოლოგიურ აღჭურვილობას. კერძოდ, რუსეთი აწარმოებს ზეგამტარ მასალებს და კაბელებს, რადიო მილებს პლაზმის გასათბობად (გიროტრონები) და ზეგამტარი ხვეულების დაუკრავენ, აგრეთვე კომპონენტებს რეაქტორის ყველაზე რთული ნაწილისთვის - პირველი კედლისთვის, რომელიც უნდა გაუძლოს ელექტრომაგნიტურ ძალებს, ნეიტრონულ გამოსხივებას და პლაზმური გამოსხივება.

8. რატომ არ ვიყენებთ ჯერ კიდევ შერწყმის რეაქტორებს?

თანამედროვე ტოკამაკის დანადგარები არ არის თერმობირთვული რეაქტორები, არამედ კვლევითი დანადგარები, რომლებშიც პლაზმის არსებობა და შენარჩუნება შესაძლებელია მხოლოდ გარკვეული ხნით. ფაქტია, რომ მეცნიერებს ჯერ არ უსწავლიათ, როგორ შეინარჩუნონ პლაზმა რეაქტორში დიდი ხნის განმავლობაში.

ამ დროისთვის, ბირთვული შერწყმის სფეროში ერთ-ერთი უდიდესი მიღწევაა გერმანელი მეცნიერების წარმატება, რომლებმაც მოახერხეს წყალბადის გაზის გაცხელება 80 მილიონ გრადუს ცელსიუსამდე და წყალბადის პლაზმის ღრუბლის შენარჩუნება წამის მეოთხედში. ხოლო ჩინეთში წყალბადის პლაზმა გაცხელდა 49,999 მილიონ გრადუსამდე და გაჩერდა 102 წამის განმავლობაში. რუსმა მეცნიერებმა G.I. Budker-ის ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტიდან, ნოვოსიბირსკი, მოახერხეს პლაზმის სტაბილური გათბობა ათი მილიონი გრადუსი ცელსიუსამდე. თუმცა, ამერიკელებმა ცოტა ხნის წინ შემოგვთავაზეს პლაზმის 60 წლის განმავლობაში შენარჩუნების გზა - და ეს გამამხნევებელია.

გარდა ამისა, მიმდინარეობს დებატები ინდუსტრიაში ბირთვული შერწყმის მომგებიანობის შესახებ. უცნობია დაფარავს თუ არა ელექტროენერგიის გამომუშავების სარგებელი ბირთვული შერწყმის ხარჯებს. შემოთავაზებულია ექსპერიმენტების ჩატარება რეაქციებზე (მაგალითად, უარი თქვან ტრადიციულ დეიტერიუმ-ტრიტიუმის რეაქციაზე ან მონოპროპელანტზე სხვა რეაქციების სასარგებლოდ), სამშენებლო მასალებზე - ან თუნდაც უარი თქვან ინდუსტრიული თერმობირთვული შერწყმის იდეაზე, მისი გამოყენება მხოლოდ დაშლისას ინდივიდუალური რეაქციებისთვის. რეაქციები. თუმცა, მეცნიერები კვლავ აგრძელებენ ექსპერიმენტებს.

9. უსაფრთხოა თუ არა შერწყმის რეაქტორები?

შედარებით. ტრიტიუმი, რომელიც გამოიყენება შერწყმის რეაქციებში, რადიოაქტიურია. გარდა ამისა, სინთეზის შედეგად გამოთავისუფლებული ნეირონები ასხივებენ რეაქტორის სტრუქტურას. თავად რეაქტორის ელემენტები დაფარულია რადიოაქტიური მტვრით პლაზმის ზემოქმედების გამო.

თუმცა, შერწყმის რეაქტორი გაცილებით უსაფრთხოა ვიდრე ბირთვული რეაქტორი რადიაციის თვალსაზრისით. რეაქტორში რადიოაქტიური ნივთიერებები შედარებით ცოტაა. გარდა ამისა, თავად რეაქტორის დიზაინი ვარაუდობს, რომ არ არსებობს „ხვრელები“, რომლებშიც რადიაცია შეიძლება გაჟონოს. რეაქტორის ვაკუუმური კამერა უნდა იყოს დალუქული, წინააღმდეგ შემთხვევაში რეაქტორი უბრალოდ ვერ იმუშავებს. თერმობირთვული რეაქტორების მშენებლობის დროს გამოიყენება ბირთვული ენერგიით შემოწმებული მასალები და შემცირებული წნევა შენარჩუნებულია შენობაში.

როდის გამოჩნდება თერმობირთვული ელექტროსადგურები?

მეცნიერები ყველაზე ხშირად ამბობენ, რომ „20 წელიწადში ჩვენ მოვაგვარებთ ყველა ფუნდამენტურ საკითხს“. ბირთვული ინდუსტრიის ინჟინრები საუბრობენ 21-ე საუკუნის მეორე ნახევარზე. პოლიტიკოსები საუბრობენ სუფთა ენერგიის ზღვაზე პენისთვის, პაემნებით შეწუხების გარეშე.

როგორ ეძებენ მეცნიერები ბნელ მატერიას დედამიწის სიღრმეში

ასობით მილიონი წლის წინ, დედამიწის ზედაპირის ქვეშ არსებული მინერალები შესაძლოა იდუმალი ნივთიერების კვალს ინარჩუნებდნენ. რჩება მხოლოდ მათთან მისვლა. მსოფლიოში მიმოფანტული ორ ათზე მეტი მიწისქვეშა ლაბორატორია ბნელი მატერიის ძიებით არის დაკავებული.

რა უშლის ხელს რადიაციული ტექნოლოგიების შიდა ბაზრის განვითარებას?

SB RAS-ის ინსტიტუტების მეცნიერებმა, რომლებიც ეწვივნენ სამხრეთ-აღმოსავლეთ აზიის ქვეყნებს, ისაუბრეს იმაზე, თუ როგორ ახანგრძლივეს თევზის მარტივი გამყიდველები ადგილობრივ ბაზრებზე, მარტივი ჩინური „ტექნოლოგიის“ გამოყენებით, თავიანთი საქონლის შენახვის ვადა.

სუპერქარხნული S-tau

OTR პროგრამაში "დიდი მეცნიერება. დიდი პატარაში", G.I. Budker SB RAS-ის ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტის დირექტორმა, აკადემიკოსმა პაველ ლოგაჩოვმა ისაუბრა როლზე "S-tau Factory" მეცნიერების განვითარებაში. კვლევა და რა განსაზღვრავს მის სახელს.

გაკვეთილის მსვლელობისას ყველას შეეძლება მიიღოს იდეა თემაზე „თერმობირთვული რეაქცია“. თქვენ გაიგებთ რა არის თერმობირთვული რეაქცია, ანუ შერწყმის რეაქცია. თქვენ შეიტყობთ, რომელი ელემენტები და რა პირობებში შეიძლება შევიდნენ ამ ტიპის რეაქციაში და გაეცნობით თერმობირთვული რეაქციების მშვიდობიანი მიზნებისთვის გამოყენების განვითარებულ მოვლენებს.

თერმობირთვული რეაქციები(ან უბრალოდ თერმობირთვული) არის მსუბუქი ბირთვების შერწყმის რეაქცია ერთ მთლიან ახალ ბირთვში, რის შედეგადაც გამოიყოფა დიდი რაოდენობით ენერგია. გამოდის, რომ ბევრი ენერგია გამოიყოფა არა მხოლოდ მძიმე ბირთვების დაშლის შედეგად, კიდევ უფრო მეტი ენერგია გამოიყოფა მსუბუქი ბირთვების შერწყმისა და გაერთიანების დროს. ამ პროცესს ე.წ სინთეზი. და თავად რეაქციები არის თერმობირთვული შერწყმა, თერმობირთვული რეაქციები.

რა ელემენტები მონაწილეობენ ამ რეაქციებში? ეს არის ძირითადად წყალბადის იზოტოპები და ჰელიუმის იზოტოპები. მაგალითად, შემდეგი რეაქცია შეიძლება მიეცეს:

წყალბადის ორი იზოტოპი (დეიტერიუმი და ტრიტიუმი) ერთად შერწყმისას ქმნის ჰელიუმის ბირთვს და ასევე წარმოიქმნება ნეიტრონი. როდესაც ეს რეაქცია ხდება, უზარმაზარი ენერგია გამოიყოფა E = 17,6 მევ.

არ დაგავიწყდეთ, რომ ეს მხოლოდ ერთი რეაქციაა. და კიდევ ერთი რეაქცია. დეიტერიუმის ორი ბირთვი ერწყმის ერთმანეთს და ქმნის ჰელიუმის ბირთვს:

ამ შემთხვევაში დიდი რაოდენობითაც გამოიყოფა.

თქვენს ყურადღებას ვაქცევ: ასეთი რეაქციების განვითარებისთვის საჭიროა გარკვეული პირობები. უპირველეს ყოვლისა, აუცილებელია ამ იზოტოპების ბირთვების ერთმანეთთან დაახლოება. ბირთვებს აქვთ დადებითი მუხტი; ამ შემთხვევაში მოქმედებენ კულონის ძალები, რომლებიც აშორებენ ამ მუხტებს. ეს ნიშნავს, რომ ჩვენ უნდა დავძლიოთ ეს კულონის ძალები, რათა ერთი ბირთვი მეორესთან მივახლოვოთ. ეს შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ თავად ბირთვებს აქვთ მაღალი კინეტიკური ენერგია, როდესაც ამ ბირთვების სიჩქარე საკმაოდ მაღალია. ამის მისაღწევად აუცილებელია ისეთი პირობების შექმნა, სადაც იზოტოპურ ბირთვებს ექნებათ ეს სიჩქარე და ეს შესაძლებელია მხოლოდ ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე. მხოლოდ ამ გზით შევძლებთ იზოტოპების აჩქარებას იმ სიჩქარამდე, რაც მათ საშუალებას მისცემს მიუახლოვდნენ ერთმანეთს დაახლოებით 10 -14 მ მანძილზე.

ბრინჯი. 1. მანძილი, რომლითაც საჭიროა ბირთვების შეკრება თერმობირთვული რეაქციის შესაქმნელად

ეს მანძილი არის ზუსტად ის მანძილი, საიდანაც ბირთვული ძალები იწყებენ მოქმედებას. საჭირო ტემპერატურა დაახლოებით ტ° = 10 7 - 10 8° C. ამ ტემპერატურის მიღწევა შესაძლებელია ბირთვული აფეთქების დროს. ამგვარად, თერმობირთვული რეაქციის წარმოებისთვის, ჯერ უნდა გამოვიტანოთ მძიმე ბირთვების დაშლის რეაქცია. სწორედ ამ შემთხვევაში მივაღწევთ მაღალ ტემპერატურას და მხოლოდ მაშინ იქნება ეს ტემპერატურა შესაძლებელს გახდის იზოტოპების ბირთვების მიახლოებას იმ მანძილზე, სადაც მათ შეერთება შეუძლიათ. როგორც გესმით, ეს არის ზუსტად ეგრეთ წოდებული წყალბადის ბომბის პრინციპი.

ბრინჯი. 2. წყალბადის ბომბის აფეთქება

ჩვენ, როგორც მშვიდობიანი ხალხი, პირველ რიგში გვაინტერესებს თერმობირთვული რეაქციების გამოყენება მშვიდობიანი მიზნებისთვის იგივე, მაგრამ ახალი ტიპის ელექტროსადგურების შესაქმნელად.

ამჟამად მიმდინარეობს კვლევა, თუ როგორ უნდა შეიქმნას კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა. ამისთვის გამოიყენება სხვადასხვა მეთოდი, ერთ-ერთი მათგანია ლაზერების გამოყენება მაღალი ენერგიებისა და ტემპერატურის მისაღებად. ლაზერების დახმარებით ისინი აჩქარებენ მაღალ სიჩქარეს და ამ შემთხვევაში შეიძლება მოხდეს თერმობირთვული რეაქცია.

თერმობირთვული რეაქციის შედეგად გამოიყოფა დიდი რაოდენობით სითბო, რეაქტორში ადგილი, რომელშიც განთავსდება იზოტოპები, რომლებიც ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, უნდა იყოს კარგად იზოლირებული, რათა მაღალი ტემპერატურის მქონე ნივთიერება არ იმოქმედოს. გარემოსთან, იმ ობიექტის კედლებთან, სადაც ის მდებარეობს. ასეთი იზოლაციისთვის გამოიყენება მაგნიტური ველი. ბირთვის მაღალ ტემპერატურაზე, ელექტრონები, რომლებიც ერთად არიან, ქმნიან ახალი ტიპის მატერიას - პლაზმას. პლაზმა არის ნაწილობრივ ან სრულად იონიზებული გაზი და როგორც კი აირი იონიზდება, ის მგრძნობიარეა მაგნიტური ველის მიმართ. პლაზმა ელექტროგამტარია, მაგნიტური ველების დახმარებით მას შეიძლება მიეცეს გარკვეული ფორმა და შეინარჩუნოს გარკვეული მოცულობა. თუმცა, თერმობირთვული რეაქციის კონტროლის ტექნიკური გადაწყვეტა გადაუჭრელი რჩება.

ბრინჯი. 3. TOKAMAK - ტოროიდული ინსტალაცია მაგნიტური პლაზმური შეზღუდვისთვის

დასასრულს, ასევე მინდა აღვნიშნო: თერმობირთვული რეაქციები მნიშვნელოვან როლს თამაშობს ჩვენი სამყაროს ევოლუციაში. პირველ რიგში, ჩვენ აღვნიშნავთ, რომ თერმობირთვული რეაქციებიჩაედინება მზეში. შეგვიძლია ვთქვათ, რომ სწორედ თერმობირთვული რეაქციების ენერგიაა, რომელიც აყალიბებს ჩვენი სამყაროს ამჟამინდელ იერსახეს.

დამატებითი ლიტერატურის სია

1. ბრონშტეინი მ.პ. ატომები და ელექტრონები. „ბიბლიოთეკა „კვანტური“. ტ. 1. მ.: ნაუკა, 1980 წ

2. კიკოინი ი.კ., კიკოინ ა.კ. ფიზიკა: სახელმძღვანელო საშუალო სკოლის მე-9 კლასისთვის. მ.: განმანათლებლობა

3. კიტაიგოროდსკი ა.ი. ფიზიკა ყველასთვის. წიგნი 4. ფოტონები და ბირთვები. მ.: მეცნიერება

4. მიაკიშევი გ.ია., სინიაკოვი ა.ზ. ფიზიკა. ოპტიკა. კვანტური ფიზიკა. მე-11 კლასი: სახელმძღვანელო ფიზიკის სიღრმისეული შესწავლისთვის. მ.: ბუსტარდი

გაკვეთილის დავალება.

1. ორი პროტონის გაერთიანების თერმობირთვული რეაქციის შედეგად წარმოიქმნება დეიტრონი და ნეიტრინო. კიდევ რომელი ნაწილაკი გამოჩნდება?

2. იპოვეთ სიხშირე γ - თერმობირთვული რეაქციის დროს წარმოქმნილი გამოსხივება:

თუ α -ნაწილაკი იძენს 19,7 მევ ენერგიას