Розділ 4 ФІЗИКА АТОМА ТА АТОМНОГО ЯДРА. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ АТОМНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

Механізм термоядерної реакції. У попередніх параграфах ми розглядали ядерні реакції розпаду радіоактивних речовин, що зумовлені перетворенням атомних ядер у результаті їх взаємодії з елементарними частинками й між собою. І з’ясували, що під час поділу важких ядер виділяється велика кількість енергії. Так під час поділу одного ядра урану-235 виділяється 200 МеВ енергії. Проте виявилося, що при злитті (синтезі) легких ядер виділяється ще більше енергії. Наприклад, якщо здійснити злиття ізотопів водню (дейтерію і тритію), то в результаті цього утворюється гелій і випромінюється нейтрон Н + Н Не+ n .

У цій реакції беруть участь всього 5 нуклонів, а виділяється 17,6 МеВ енергії (мал. 215).

Якщо врахувати, що в реакції синтезу в розрахунку на один нуклон виділяється приблизно 3,5 МеВ енергії, а при радіоактивному розпаді ядра урану — «всього» 1 МеВ на нуклон, то зрозуміло, що реакції синтезу набагато вигідніші з точки зору одержання енергії.

Такі реакції називаються термоядерними. Сама назва цих реакцій вказує на їхню особливість — вони відбуваються за дуже високих температур. З’ясуємо чому.

Щоб почалося злиття ядер, їх потрібно наблизити одне до одного на відстань дії ядерних сил. Для такого зближення потрібно подолати кулонівське відштовхування ядер, яке різко зростає зі зменшенням відстані між ядрами. Для цього потрібно, щоб ядра атомів мали дуже велику кінетичну енергію, тобто щоб їхня швидкість була досить великою. Це можливо лише за дуже високих температур (десятки й сотні мільйонів градусів). Тому реакція ядерного синтезу й називається термоядерною реакцією.

Термоядерними реакціями називаються ядерні реакції синтезу легких ядер у важчі, що супроводжуються виділенням енергії (мал. 216).

Мал. 215. Схема ядерного синтезу

З фізичної точки зору зрозуміло, що енергія, яка вивільняється у процесі радіоактивного розпаду ядер, — це, в основному, кінетична енергія уламків, що набули її внаслідок дії електричних сил відштовхування.

Мал. 216. Термоядерні реакції

При термоядерному синтезі енергія вивільняється в результаті прискореного руху нуклонів назустріч один одному під дією набагато потужніших ядерних сил. Простіше кажучи, при поділі ядер вивільняється енергія електричної взаємодії, а при синтезі ядер — енергія сильної (ядерної) взаємодії.

Термоядерні реакції відбуваються за надвисоких температур (10 7 -10 9 °С).

За таких температур речовина є повністю йонізованою та перебуває в стані плазми.

Здійснення реакцій керованого термоядерного синтезу в земних умовах відкриє перед людством перспективу отримання екологічно чистої і практично невичерпної енергії.

На даному етапі розвитку науки та техніки вдалося здійснити тільки некеровану реакцію термоядерного синтезу у водневій бомбі, де висока температура досягалася за рахунок вибуху уранової або плутонієвої атомної бомби.

Енергія Сонця й зір. Термоядерні реакції відіграють надзвичайно важливу роль в еволюції Всесвіту. Сонце й деякі інші зорі випромінюють у космічний простір величезну енергію, що вивільняється в процесі термоядерного синтезу чотирьох легких ядер водню в одне ядро гелію (мал. 217). При перетворенні одного кілограма водню на гелій виділяється така кількість теплоти, якої достатньо для того, щоб закип’ятити півтора мільйона кубометрів води.

Мал. 217. Термоядерні реакції на Сонці

Температура в центрі Сонця становить близько 13 мільйонів градусів. За такої температури атоми повністю йонізовані, тобто навколо їхніх ядер уже немає електронних оболонок. Фактично Сонце заповнене електронно-йонним газом. Висока температура спричинює колосальний тиск цих газів, тому ядра можуть наблизитися значно ближче одне до одного, ніж у земних умовах за звичайних температур.

Цікаво, що термоядерна реакція на Сонці протікає дуже повільно. Для того щоб чотири ядра водню перетворилися на ядро гелію, має пройти декілька мільйонів років. За такого повільного процесу Сонце може виділяти величезну кількість теплоти тільки завдяки тому, що в цьому процесі одночасно бере участь велетенська маса речовини. Разом з випромінюванням енергії кожної секунди Сонце втрачає чотири з половиною мільйони тонн своєї маси. Але для Сонця ця втрата абсолютно мізерна. Маса Сонця настільки велика, що за два мільярди років безперервного випромінювання Сонце втратило не більш ніж одну десяту відсотка своєї маси.

Учені підрахували, що запасів водню на Сонці вистачить на 100 мільярдів років.

Я поміркую й зможу пояснити

1. У чому різниця між реакціями ядерного поділу та синтезу?

2. Чому для термоядерної реакції необхідна висока температура?

3. Ядра яких елементів вступають у реакцію термоядерного синтезу на Сонці?

4. Чому маса Сонця зменшується?

5. На скільки років за підрахунками вчених має вистачити запасу водню на Сонці?

РОЗДІЛ 4 ФІЗИКА АТОМА ТА АТОМНОГО ЯДРА. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ АТОМНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

Термоядерні реакції — це реакції синтезу (злиття) легких ядер за дуже високої температури.

Щоб такі ядра, наприклад Гідрогену, злилися, вони повинні наблизитися на відстань приблизно 10 -15 м, тобто потрапити у сферу дії ядерних сил. Цьому наближенню протидіє кулонівське відштовхування ядер, яке вони можуть подолати лише тоді, коли матимуть велику кінетичну енергію теплового руху.

Енергія, яка виділяється під час термоядерних реакцій в одному акті синтезу з розрахунку на один нуклон, більша від такої, що виділяється в ланцюгових реакціях поділу ядер. Так, під час злиття важкого Гідрогену — Дейтерію з ізотопом Гідрогену – Тритієм виділяється близько 3,5 МеВ на один нуклон, тоді як під час поділу Урану на один нуклон виділяється енергія, що дорівнює приблизно 1 МеВ.

Термоядерні реакції відіграють вирішальну роль в еволюції Всесвіту. Енергія випромінювання Сонця та інших зір – термоядерного походження. За сучасними уявленнями, на ранній стадії розвитку зоря складається переважно з водню. Температура всередині зорі така велика, що в ній відбуваються реакції злиття протонів й утворюється Гелій. Потім від злиття ядер Гелію утворюються важчі елементи. Усі ці реакції супроводжуються виділенням енергії, завдяки якій зорі випромінюють світло протягом мільярдів років. На Землі некерована термоядерна реакція відбувається під час вибуху водневої бомби.

Здійснення керованих термоядерних реакцій на Землі дасть людству нове, практично невичерпне джерело енергії. Найбільш перспективні щодо цього реакції злиття Дейтерію з Тритієм:

У цій реакції виділяється енергія 17,6 МеВ на один нуклон. Оскільки Тритію у природі немає, його треба виробляти в самому термоядерному реакторі з літію.

Згідно з проектом ІТЕР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) у м. Кадараш (Франція) ведеться будівництво першого у світі міжнародного експериментального термоядерного реактора. Мета цього проекту – продемонструвати наукову і технічну можливість вироблення теплової та електричної енергії на основі термоядерного синтезу. За прогнозами фахівців за 30-40 років може розпочатися ера промислового використання термоядерної енергії.

Кожного разу, як тільки у фізиці робили якесь серйозне відкриття, астрономи починали «приміряти» його до своїх проблем. Так, наприкінці ХІХ ст. майже одразу після відкриття Беккерелем явища радіоактивності було висунуто гіпотезу, що світність Сонця підтримується за рахунок розпаду ядер важких хімічних елементів, наприклад Радію (відкритий у 1898 р.) або Урану.

Період піврозпаду Радію дорівнює 1620 років, а ізотопу Урану U, який на 99,27 % складає природний Уран, – 4,51 млрд років. Отже, наприклад, радієве Сонце висвітило б основну частину своєї енергії усього за кілька тисяч років, а уранове Сонце було б істотно слабкішим за сучасне.

До того ж уранове Сонце спалахнуло б як велетенська ядерна бомба відразу під час свого утворення (слід зазначити, що ланцюгові реакції та існування критичної маси було виявлено значно пізніше). Нині відомо, що в сучасному природному урані, який містить усього 0,72 % U, ланцюгова реакція неможлива (в існуючих ядерних реакторах вона відбувається тільки за умови використання уповільнювачів нейтронів). Але 5 млрд років тому вона обов’язково б розпочалася, оскільки період піврозпаду U становить усього 713 млн років, тому його частка тоді була « 30 % (для ланцюгової реакції достатньо 3 %).

Ідея про термоядерне джерело зоряної енергії за рахунок синтезу гелію з водню має довгий і складний шлях становлення. Початок цієї історії можна датувати 1919 р., коли англійський фізик і хімік Френсіс Астон сконструював мас-спектрограф. За його допомогою він знайшов точні значення мас атомів Гідрогену і Гелію. Це якраз один з яскравих прикладів в історії науки, коли точність вимірювання мала вирішальне значення. Виявилося, що маса атома Гелію становить 3,97 від маси атома Гідрогену, безпосереднього його сусіда в таблиці Менделєєва. Цілком природно було припустити, що за певної температури чотири ядра атома Гідрогену можуть об’єднуватися в ядро атома Гелію.

Слід зазначити, що термоядерне «горіння» водню відрізняється найвищою ефективністю порівняно з іншими хімічними елементами.

Синтез гелію з водню як джерело енергії зір запропонував у 1920 р. Артур Еддінгтон – один із творців теорії внутрішньої будови зір. У книжці «Зорі й атоми» він писав: «Точка зору, за якою енергія зорі виникає під час побудови інших елементів з водню, має велику перевагу, бо не існує сумнівів відносно можливості цього процесу, оскільки ми не маємо доказів того, що у природі може відбуватися анігіляція матерії… На мою думку, існування гелію є найкращим доказом того, що гелій може утворюватися…». Щоправда тут Еддінгтон помилявся. На сьогодні загальновизнаним є те, що існуюча кількість гелію не могла утворитися в зорях, а виникла в результаті первісного нуклеосинтезу на ранніх етапах еволюції нашого Всесвіту.

Сонячні, та й загалом зоряні надра здавалися фізикам 20-х років XX ст. занадто холодними, щоб там могло відбуватися перетворення водню в гелій.

Еддінгтон уважав, що фізики повинні продовжувати дослідження і тоді із часом зрозуміють, як за порівняно низьких температур водень може перетворюватись у гелій. Так і сталося. Цю проблему розв’язали фізики Роберт Аткінсон і Фрідріх Гоутерманс. Вони скористались уявленнями Георгія Гамова про тунельний ефект (1928 р.). З нової фізичної теорії – квантової механіки, яка якраз створювалась у ті часи, випливало, що мікрочастинки завдяки своїм хвильовим властивостям можуть проникати під потенціальні бар’єри і просочуватися крізь них.

Гамов розв’язав проблему розпаду радіоактивних ядер, а Аткінсон і Гоутерманс, скориставшися цим, розв’язали обернену задачу. У березні 1929 р. вони надіслали в редакцію німецького журналу статтю під назвою «До питання про можливість утворення елементів у надрах зір». У цій статті вони довели, що хоча в межах класичної фізики протони можуть зливатися один з одним лише за температур у кілька десятків мільярдів кельвінів, тунельний ефект допускає імовірність такого процесу вже за відносно низьких температур, що існують у надрах зір. Гоутерманс писав у своїй книжці «Яскравіше за тисячу сонць» (1961 р.): «У той самий вечір, після того як ми закінчили нашу статтю, я пішов гуляти із чарівною дівчиною. Коли стемніло і одна за одною стали з’являтися зорі в усій їх величі, моя супутниця вигукнула: «Як чудово вони виблискують! Справді?» Я випнув груди і вимовив поважно: «Зі вчорашнього вечора я знаю, чому вони виблискують».

Доля Гоутерманса пов’язана з Україною. Його, уже як видатного фізика і німецького комуніста, у 1934 р. запросили працювати в Радянський Союз. З 1935 по 1937 р. він був співробітником Українського фізико-технічного інституту (м. Харків), де вже з 1932 р. працював Лев Ландау. У 1937 р. Гоутерманс був заарештований НКВС як німецький шпигун. Його жорстоко били і катували багатоденними конвеєрними допитами, але він не втратив гідності й не дав брехливих свідчень на своїх колег. Можна вважати, що йому пощастило – у 1940 р. його звільнили і вислали з СРСР як «небажаного іноземця».

Отже, після статті Аткінсона і Гоутерманса стало зрозумілим, що джерелом енергії зір все ж таки можуть бути термоядерні реакції. Але які саме? За якими каналами? Конкретна відповідь на ці запитання з’явилася лише через 10 років.

Першу відповідь на ці запитання знайшли незалежно один від одного Карл Вейцзеккер у Німеччині і Ганс Бете в США. У 1938 р. вони виявили перший цикл послідовної трансформації гідрогену в гелій, який ми на сьогодні називаємо карбоно-нітрогеновим. Інший варіант перетворення водню в гелій відомий нині як протон-протонний цикл, який запропонували в тому-таки 1938 р. Ганс Бете і Чарльз Критчфілд.

1. У чому полягає суть термоядерних реакцій?

2. Яку енергію мають Сонце та інші зорі?

3. Хто з учених вивчав процеси, які відбуваються на Сонці та інших зорях?

§ 41. Термоядерні реакції. Енергія Сонця й зір

Механізм термоядерної реакції. У попередніх параграфах ми розглядали ядерні реакції розпаду радіоактивних речовин, що зумовлені перетворенням атомних ядер у результаті їх взаємодії з елементарними частинками й між собою. І з’ясували, що під час поділу важких ядер виділяється велика кількість енергії. Так під час поділу одного ядра урану-235 виділяється 200 МеВ енергії. Проте виявилося, що при злитті (синтезі) легких ядер виділяється ще більше енергії. Наприклад, якщо здійснити злиття ізотопів водню (дейтерію і тритію), то в результаті цього утворюється гелій і випромінюється нейтрон

У цій реакції беруть участь всього 5 нуклонів, а виділяється 17,6 МеВ енергії (мал. 215).

Якщо врахувати, що в реакції синтезу в розрахунку на один нуклон виділяється приблизно 3,5 МеВ енергії, а при радіоактивному розпаді ядра урану — «всього» 1 МеВ на нуклон, то зрозуміло, що реакції синтезу набагато вигідніші з точки зору одержання енергії.

Такі реакції називаються термоядерними. Сама назва цих реакцій вказує на їхню особливість — вони відбуваються за дуже високих температур. З’ясуємо чому.

Щоб почалося злиття ядер, їх потрібно наблизити одне до одного на відстань дії ядерних сил. Для такого зближення потрібно подолати кулонівське відштовхування ядер, яке різко зростає зі зменшенням відстані між ядрами. Для цього потрібно, щоб ядра атомів мали дуже велику кінетичну енергію, тобто щоб їхня швидкість була досить великою. Це можливо лише за дуже високих температур (десятки й сотні мільйонів градусів). Тому реакція ядерного синтезу й називається термоядерною реакцією.

Мал. 215. Схема ядерного синтезу

Термоядерними реакціями називаються ядерні реакції синтезу легких ядер у важчі, що супроводжуються виділенням енергії (мал. 216).

З фізичної точки зору зрозуміло, що енергія, яка вивільняється у процесі радіоактивного розпаду ядер, — це, в основному, кінетична енергія уламків, що набули її внаслідок дії електричних сил відштовхування.

При термоядерному синтезі енергія вивільняється в результаті прискореного руху нуклонів назустріч один одному під дією набагато потужніших ядерних сил. Простіше кажучи, при поділі ядер вивільняється енергія електричної взаємодії, а при синтезі ядер — енергія сильної (ядерної) взаємодії.

Термоядерні реакції відбуваються за надвисоких температур (10 7 -10 9 °С). За таких температур речовина є повністю йонізованою та перебуває в стані плазми.

Здійснення реакцій керованого термоядерного синтезу в земних умовах відкриє перед людством перспективу отримання екологічно чистої і практично невичерпної енергії.

На даному етапі розвитку науки та техніки вдалося здійснити тільки некеровану реакцію термоядерного синтезу у водневій бомбі, де висока температура досягалася за рахунок вибуху уранової або плутонієвої атомної бомби.

Мал. 216. Термоядерні реакції

Енергія Сонця й зір. Термоядерні реакції відіграють надзвичайно важливу роль в еволюції Всесвіту. Сонце й деякі інші зорі випромінюють у космічний простір величезну енергію, що вивільняється в процесі термоядерного синтезу чотирьох легких ядер водню в одне ядро гелію (мал. 217). При перетворенні одного кілограма водню на гелій виділяється така кількість теплоти, якої достатньо для того, щоб закип’ятити півтора мільйона кубометрів води.

Мал. 217. Термоядерні реакції на Сонці

Температура в центрі Сонця становить близько 13 мільйонів градусів. За такої температури атоми повністю йонізовані, тобто навколо їхніх ядер уже немає електронних оболонок. Фактично Сонце заповнене електронно-йонним газом. Висока температура спричинює колосальний тиск цих газів, тому ядра можуть наблизитися значно ближче одне до одного, ніж у земних умовах за звичайних температур.

Цікаво, що термоядерна реакція на Сонці протікає дуже повільно. Для того щоб чотири ядра водню перетворилися на ядро гелію, має пройти декілька мільйонів років. За такого повільного процесу Сонце може виділяти величезну кількість теплоти тільки завдяки тому, що в цьому процесі одночасно бере участь велетенська маса речовини. Разом з випромінюванням енергії кожної секунди Сонце втрачає чотири з половиною мільйони тонн своєї маси. Але для Сонця ця втрата абсолютно мізерна. Маса Сонця настільки велика, що за два мільярди років безперервного випромінювання Сонце втратило не більш ніж одну десяту відсотка своєї маси.

Учені підрахували, що запасів водню на Сонці вистачить на 100 мільярдів років.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. У чому різниця між реакціями ядерного поділу та синтезу?
• 2. Чому для термоядерної реакції необхідна висока температура?
• 3. Ядра яких елементів вступають у реакцію термоядерного синтезу на Сонці?
• 4. Чому маса Сонця зменшується?
• 5. На скільки років за підрахунками вчених має вистачити запасу водню на Сонці?