Термоядерный синтез
англ. Thermonuclear fusion
Слияние лёгких ядер при температуре в миллионы кельвинов с выходом энергии из дефекта массы — топливо звёзд и токамаков.
Слить два лёгких ядра в одно потяжелее — термоядерный синтез — энергетически выгодно: у образовавшегося ядра нуклоны связаны крепче, и разница энергий улетает с разлетающимися продуктами реакции. Мешает одно: чтобы ядра сблизились на расстояние действия ядерных сил, нужно продавить кулоновское отталкивание, а для этого ядра должны лететь навстречу с чудовищными скоростями — вещество придётся разогреть до десятков миллионов кельвинов, отсюда и слово «термоядерный». Самый доступный вариант — реакция дейтерия с тритием: продуктов всего два, и нейтрон уносит большую часть энергии наружу, что удобно для реактора. Энергетику реакции считает разность масс: дефект массы и энергия связи ядра объясняют, откуда берутся мегаэлектронвольты из «пропавших» граммов.
Вторая проблема — удержать плазму: ни один материал не выдержит контакта с веществом в миллионы градусов, поэтому стенки обманывают магнитным полем в токамаках или инерцией, сжимая мишень лазером. Огромная температура — не прихоть, а следствие молекулярной физики: средняя кинетическая энергия частиц растёт с температурой, и лишь при десятках килоэлектронвольт доля быстрых ядер становится достаточной для слияния — эта связь скорости и температуры разобрана в уроке основы молекулярно-кинетической теории. Баланс энергии в реакторе замыкает закон сохранения энергии: выход реакции должен перекрыть затраты на нагрев и удержание. Соперник синтеза по энергетике — деление тяжёлых ядер; сравнение обеих реакций с расчётами — в уроке ядерные реакции.
Частые вопросы
Зачем такие температуры, если работает туннельный эффект?
Кулоновский барьер для двух ядер водорода — сотни килоэлектронвольт, а средняя энергия при десяти миллионах кельвинов — всего около 1 кэВ. Спасает комбинация: реакция идёт на далёком «хвосте» распределения скоростей, плюс туннелирование сквозь барьер. Вероятность на одну пару мала, но частиц в плазме триллионы, и суммарная скорость реакции оказывается рабочей. Поэтому и говорят о десятках и сотнях миллионов кельвинов — с запасом на хвост распределения и на неизбежные потери.
Чем реакция дейтерий-тритий лучше других?
Наибольшим сечением при наименьшей температуре: D–T идёт уже при нескольких килоэлектронвольт, тогда как D–D и D–He³ требуют заметно больших энергий при меньшем выходе. Обратная сторона: тритий в природе практически не встречается, его нарабатывают из лития в оболочке реактора, а 80 % энергии улетает с нейтроном, который магнитным полем не удерживается и активирует конструкционные материалы. Поэтому «чистые» варианты синтеза остаются целью следующего поколения установок.