«Термоядерные реакции»

ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (порядка 10⁷ К и выше). Высокие температуры, то есть достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при Т. р. Поэтому Т. р. в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество ядерным взрывом, мощным газовым разрядом, гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

Т. р., как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением энергии (точнее, выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению энергии связи). При этом сам механизм этого «экзоэнергетического» сдвига к средней части периодической системы элементов Менделеева здесь противоположен тому, который имеет место при делении тяжёлых ядер: почти все практически интересные Т. р. — это реакции слияния (синтеза) лёгких ядер в более тяжёлые. Имеются, однако, исключения: благодаря особой прочности ядра ⁴He (α-частица) возможны экзоэнергетические реакции деления лёгких ядер (одна из них, «чистая» реакция ¹¹B + р → 3⁴Не + 8,6 Мэв, привлекла к себе интерес в самое последнее время).

Большое энерговыделение в ряде Т. р. обусловливает важность их изучения для астрофизики, а также для прикладной ядерной физики и ядерной энергетики. Кроме того, чрезвычайно интересна роль Т. р. в дозвёздных и звёздных процессах синтеза атомных ядер химических элементов (нуклеогенеза).

Скорости Т. р. В табл. 1 для ряда Т. р. приведены значения энерговыделения, основной величины, характеризующей вероятность Т. р. — её максимального эффективного поперечного сечения (См. Эффективное поперечное сечение) (σ_макс, и соответствующей энергии налетающей (в формуле реакции — первой слева) частицы.

Главная причина очень большого разброса сечений Т. р. — резкое различие вероятностей собственно ядерных («послебарьерных») превращений. Так, для большинства реакций, сопровождающихся образованием наиболее сильно связанного ядра ⁴He, сечение велико, тогда как для реакций, обусловленных слабым взаимодействием (См. Слабые взаимодействия) (например, р + р → D + е⁺ + ν), оно весьма мало.

Т. р. происходят в результате парных столкновений между ядрами, поэтому число их в единице объёма в единицу времени равно n₁n₂vσ(v)>, где n₁, n₂ —концентрации ядер 1-го и 2-го сортов (если ядра одного сорта, то n₁n₂ следует заменить на ½n²), v — относительная скорость сталкивающихся ядер, угловые скобки означают усреднение по скоростям ядер v [распределение которых в дальнейшем принимается максвелловским (см. Максвелла распределение)].

Температурная зависимость скорости Т. р. определяется множителем <>vσ(v)>.В практически важном случае «не очень высоких» температур T(10⁷÷10⁸) К она может быть приближённо выражена в виде, одинаковом для всех Т. р. В этом случае относительные энергии Е сталкивающихся ядер, как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера (последняя даже для комбинации ядер с наименьшим зарядом z = 1 составляет Термоядерные реакции 200 Кэв, что соответствует, по соотношению E = kT, T Термоядерные реакции2․10⁹ K) и, следовательно, вид σ(v) определяется в основном вероятностью «туннельного» прохождения сквозь барьер (см. Туннельный эффект), а не собственно ядерным взаимодействием, в ряде случаев обусловливающим «резонансный» характер зависимости σ(v)(именно такая зависимость проявляется в наибольших из значений σ_макс в таблице 1). Результат имеет вид

<>vσ(v)> =const․Т^-2/3ехр}

где const — постоянная, характерная для данной реакции, Z₁, Z₂—заряды сталкивающихся ядер, —их приведённая масса, е — заряд электрона, η —Планка постоянная, k —Больцмана постоянная.

Таблица 1

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|         | Реакция       | Энерговыделение,    | σ_макс, Барн (в     | Энергия налетающей    |

|         |    | Мэв          | области энергий ≤1  | частицы,        |

|         |    |  | Мэв)         | соответствующая σ_макс, |

|         |    |  |  | Мэв       |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 1      | p + p → D + e⁺ + v       | 2,2    | 10^-23          | —          |

| 2      | p + D → ³He + g    | 5,5    | 10^-6   | —          |

| 3      | p + T → ⁴He + g    | 19,7          | 10^-6   | —          |

| 4      | D + D → T + P      | 4,0    | 0,16 (при 2 Мэв)       | 2,0         |

| 5      | D + D → ³He + n          | 3,3    | 0,09          | 1,0         |

| 6      | D + D → ⁴He + g          | 24,0          | —     | —          |

| 7      | D + T → ⁴He + n    | 17,6          | 5,0    | 0,13       |

| 8      | T + D → ⁴He + n    | 17,6          | 5,0    | 0,195      |

| 9      | T + T → ⁴He + 2n         | 11,3          | 0,10          | 1,0         |

| 10     | D + ³He → ⁴He + p       | 18,4          | 0,71          | 0,47       |

| 11     | ³Не + ³Не →⁴Не+2р      | 12,8          | —     | —          |

| 12     | n + ⁶Li → ⁴He + T         | 4,8    | 2,6    | 0,26       |

| 13     | p + ⁶Li → ⁴He + ³He      | 4,0    | 10^-4   | 0,3         |

| 14     | p + ⁷Li → 2⁴He + γ | 17,3          | 6․10^-3        | 0,44       |

| 15     | D + ⁶Li → ⁷Li + p          | 5,0    | 0,01          | 1,0         |

| 16     | D + ⁶Li → 2⁴He      | 22,4          | 0,026 | 0,60       |

| 17     | D + ⁷Li → 2⁴He + n       | 15,0          | 10^-3   | 0,2         |

| 18     | p + ⁹Be → 2⁴He + D      | 0,56          | 0,46          | 0,33       |

| 19     | p + ⁹Be → ⁶Li + ⁴He      | 2,1    | 0,35          | 0,33       |

| 20     | p + ¹¹B → 3⁴He      | 8,6    | 0,6    | 0,675      |

| 21     | p + ¹⁵N → ¹²C + ⁴He      | 5,0    | 0,69 (при 1,2 Мэв)    | 1,2         |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

p — протон, D — дейтрон (ядро дейтерия ²H), Т — тритон (ядро трития ³H), n — нейтрон, е+ — позитрон, v — нейтрино, γ— фотон.

Т. р. во Вселенной играют двоякую роль — как основной источник энергии звёзд и как механизм нуклеогенеза. Для нормальных гомогенных звезд, в том числе Солнца, главным процессом экзоэнергетического ядерного синтеза является сгорание Н в Не, точнее, превращение 4 протонов в ядро ⁴He и 2 позитрона. Этот результат можно получить двумя путями (Х. Бете и др., 1938—39): 1) в протон — протонной (рр) цепочке, или водородном цикле; 2) в углеродно-азотном (CN), или углеродном, цикле (таблицы 2 и 3).

Первые 3 реакции входят в полный цикл дважды. Времена реакций рассчитаны для условий в центре Солнца: Т = 13 млн К (по другим данным — 16 млн К), плотность Н — 100 г /см³.В скобках указана часть энерговыделения, безвозвратно уходящая с ν.

В CN-цикле ядро ¹²С играет роль катализатора. Для Солнца и менее ярких звёзд в полном энерговыделении преобладает рр-цикл, а для более ярких звёзд — CN-цикл.

Табл. 2. — Водородный цикл

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Реакция   | Энерговыделение, Мэв      | Среднее время реакции        |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| р + р → D+e⁺ + v      | 2․0,164 + (2․0,257)       | 1,4․10¹⁰ лет   |

| е⁺ + е^– →2γ      | 2․1,02         | —         |

| p + D → ³He + g        | 2․5,49         | 5,7 сек  |

| ³Не + ³Не → ⁴Не+2р  | 12,85          | 10⁶ лет         |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Итого 4p ® ⁴He + 2e⁺      | 26,21 + (0,514)    |     |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Водородный цикл разветвляется на 3 варианта. При достаточно больших концентрациях ⁴He и T> (10 ÷ 15) млн К, в полном энерговыделении начинает преобладать др. ветвь рр-цикла, отличающаяся от приведённой в таблице 2 заменой реакции ³He + ³He на цепочку:

³He + ⁴He → ⁷Be + γ, ⁷Be +e^–→ ⁷Li + γ,

p + ⁷Li → 2⁴He,

а при ещё более высоких Т — третья ветвь:

³He + ⁴He → ⁷Be + γ, р + ⁷Ве → ⁸В + γ,

⁸B → ⁸Be + e⁺ + ν, ⁸Be → 2⁴He.

Для звёзд-гигантов с плотными выгоревшими (по содержанию Н) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы Т. р.; они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем рр- и CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей, начиная с T 200 млн К, является так называемый процесс Солпитера: 3⁴He → ¹²C + γ₁ + γ₂ + 7,3 Мэв (процесс не строго тройной, а двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро ⁸Be). Далее могут следовать реакции ¹²C +⁴Не → ¹⁶O + γ, ¹⁶O + ⁴He → ²⁰Ne + γ; в этом состоит один из механизмов нуклеогенеза. Возможность процесса Солпитера, а тем самым и нуклеогенеза большинства элементов (предпосылка возникновения всех форм жизни!) связана с таким случайным обстоятельством, как большая «острота» резонанса в ядерной реакции 3⁴Не → ¹²С, обеспечиваемая наличием подходящего дискретного уровня энергии у ядра ⁸Be.

Если продукты реакций гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществляется неоновый (Ne—Na) цикл, в котором ядро ²⁰Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу (табл. 3), только ядра ¹²C, ¹³N, ¹³C, ¹⁴N, ¹⁵O, ¹⁵N заменяются соответственно ядрами²⁰Ne, ²¹Na, ²¹Ne, ²²Na, ²³Na, ²³Mg.

Табл. 3. — Углеродный цикл

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Реакция        | Энерговыделение, Мэв      | Среднее время реакции     |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| р + ¹²С → ¹³N + γ    | 1,95    | 1,3․10⁷ лет          |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| ¹³N → ¹³С + е⁺ + v   | 1,50(0,72)    | 7,0 мин       |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| р + ¹³С → ¹⁴N + γ    | 7,54    | 2,7․10⁶ лет          |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| р + ¹⁴N → ¹⁵O + γ    | 7,35    | 3,3․10⁸ лет          |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| ¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ +v    | 1,73 + (0,98)        | 82 сек         |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| р + ¹⁵N → ¹²С + ⁴Не | 4,96    | 1,1․10⁵ лет          |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Итого 4р →⁴Не + 2е⁺     | 25,03 + (1,70)      |           |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Однако он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеогенеза, так как одно из промежуточных ядер цикла (²¹Ne) может служить источником нейтронов: ²¹Ne + ⁴He → ²⁴Mg + n (аналогичную роль может играть и ядро С, участвующее в CN-цикле). Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами β^--распада, является механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер.

Средняя интенсивность энерговыделения ε в типичных звёздных Т. р. по земным масштабам ничтожна. Так, для Солнца (в среднем на 1 г солнечной массы) ³³г) полная излучаемая им мощность (4․10²⁶ вт) чрезвычайно велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца на Термоядерные реакции 4 млн. т)и даже ничтожной её доли достаточно, чтобы оказывать решающее влияние на энергетический баланс земной поверхности, жизни и т. д.

Из-за колоссальных размеров и масс Солнца и звёзд в них идеально решается проблема удержания (в данном случае — гравитационного) и термоизоляции плазмы: Т. р. протекают в горячем ядре звезды, а теплоотдача происходит с удалённой и гораздо более холодной поверхности. Только поэтому звёзды могут эффективно генерировать энергию в таких медленных процессах, как рр- и CN-циклы (табл. 2 и 3). В земных условиях эти процессы практически неосуществимы; например, фундаментальная реакция р + p → D + е⁺ + ν непосредственно вообще не наблюдалась.

Т. р. в земных условиях.На Земле имеет смысл использовать лишь наиболее эффективные из Т. р., связанные с участием изотопов водорода D и Т. Подобные Т. р. в сравнительно крупных масштабах осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных, или водородных бомб (см. Ядерное оружие).Энергия, высвобождающаяся при взрыве такой бомбы (10²³— 10²⁴эрг), превышает недельную выработку электроэнергии на всём земном шаре и сравнима с энергией землетрясений и ураганов. Вероятная схема реакций в термоядерной бомбе включает Т. р. 12, 7, 4 и 5 (табл. 1). В связи с термоядерными взрывами обсуждались и др. Т. р., например 16,14, 3.

Путём использования Т. р. в мирных целях может явиться Управляемый термоядерный синтез (УТС), с которым связывают надежды на решение энергетических проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешёвого горючего для управляемых Т. р. Наибольший прогресс в исследованиях по УТС достигнут в рамках советской программы «Токамак». Аналогичные программы к середине 70-х гг. 20 в. стали энергично развиваться и в ряде др. стран. Для УТС наиболее важны Т. р. 7,5 и 4 [а также 12 для регенерации дорогостоящего Т]. Независимо от энергетических целей термоядерный реактор может быть использован в качестве мощного источника быстрых нейтронов. Однако значительное внимание привлекли к себе и «чистые» Т. р., не дающие нейтронов, например 10, 20 (табл. 1).

Лит.: Арцимович Л. А., Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., М., 1963; Франк-Каменецкий Д. А., Физические процессы внутри звезд, М., 1959; Термоядерные реакции, в кн.: Проблемы современной физики, М., 1954, в. 1; Fowler W. A., Caughlan G. R., Zimmerman В. A., «Annual Review of Astronomy and Astrophysics», 1967, v. 5, p. 525.

В. И. Коган.

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ - реакции слияния легких ядер в более тяжелые, происходящие при высоких температурах. Сопровождаются выделением энергии; основной источник энергии Солнца и др. звезд (см. также Управляемый термоядерный синтез).

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, реакции слияния легких атомных ядер в более тяжелые (синтез), протекающие при очень высоких температурах (свыше 108 К) и сопровождающиеся выделением энергии. Термоядерные реакции - основной источник энергии звезд, например в недрах Солнца происходит превращение 4 ядер водорода (протонов) в ядро гелия. В земных условиях термоядерные реакции на смеси ядер дейтерия и трития осуществлены лишь в форме испытательных взрывов так называемых водородных бомб. Активно исследуется проблема управляемого термоядерного синтеза.

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

ядерные реакции между лёгкими ат. ядрами, протекающие при очень высоких темп-рах (=108К и выше). Высокие темп-ры, т. е. достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатич. барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряж. ч-ц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия яд. сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при Т. р. Поэтому Т. р. в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть в-во либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком ч-ц.

Табл. 1.

Т. р., как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением в продуктах реакции избыточной кинетич. энергии, равной увеличению суммарной энергии связи (см. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ). При этом сам механизм этого экзоэнергетич. сдвига к ср. части периодич. системы элементов Менделеева здесь противоположен тому, к-рый имеет место при делении тяжёлых ядер: почти все практически важные Т. р.— это реакции слияния (синтеза) лёгких ядер в более тяжёлые. Имеются и исключения: благодаря особой прочности ядра 4Не (a-частица) возможны экзоэнергетич. реакции деления лёгких ядер (по меньшей мере одна из них, «чистая» реакция 11В+р ® 34Не+8,7 МэВ, по-видимому, также может представить практический интерес).

Большое энерговыделение в ряде Т. р. обусловливает их важность для астрофизики, прикладной яд. физики и яд. энергетики. Чрезвычайно интересна также роль Т. р. в дозвёздных и звёздных процессах синтеза ат. ядер хим. элементов (нуклеогенеза).

Скорости Т. р.

В табл. 1 для ряда Т. р. приведены значения энерговыделения, максимального сечения sмакс — осн. величины, характеризующей вероятность Т. р., и соответствующей энергии налетающей ч-цы (в ф-ле реакции — первой слева).

Гл. причина очень большого разброса сечений Т. р.— резкое различие вероятностей собственно ядерных («послебарьерных») превращений. Так, для большинства реакций, сопровождающихся образованием наиболее сильно связанного ядра 4Не, сечение велико, тогда как для реакций, обусловленных слабым взаимодействием (напр., р+р®d+e++n), оно весьма мало.

Т. р. происходят в результате парных столкновений между ядрами, поэтому число их в ед. объёма в ед. времени равно n1n2< ns(v)>, где n1, n2 — концентрации ядер 1-го и 2-го сортов (если ядра одного сорта, то n1, n2 следует заменить на 1/2 n2), v — относит. скорость сталкивающихся ядер (распределение скоростей в дальнейшем принимается максвелловским; (см. МАКСВЕЛЛА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ)). Температурная зависимость скорости Т. р. определяется множителем . В практически важном случае «не очень высоких» темп-р Т?(107—108)К она может быть приближённо выражена в виде, одинаковом для всех Т. р. В этом случае относит. энергии? сталкивающихся ядер, как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера, к-рая даже для комбинации ядер с наименьшим ат. номером Z=1 составляет =200 кэВ, что соответствует (по соотношению?=kT) T=2.109 К. Следовательно, вид s(v) определяется в осн. вероятностью туннельного прохождения сквозь барьер (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ). Результат имеет вид:

где const — постоянная, характерная для данной реакции, Z1, Z2 — ат. номеpa сталкивающихся ядер, m=m1m2/(m1+m2)— их приведённая масса, е — заряд эл-на. Кроме того, в ряде случаев собственно яд. вз-ствия обусловливают резонансный хар-р зависимости s(v) (наибольшие из значений sмакс в табл. 1).

Т. р. во Вселенной играют двоякую роль — как осн. источник энергии звёзд и как механизм нуклеогенеза. Для нормальных гомогенных звёзд, в т. ч. Солнца, гл. процессом экзоэнергетич. яд. синтеза явл. сгорание Н в Не, точнее, превращение четырёх протонов в ядро 4Не, два позитрона и два нейтрино. Этот результат можно получить двумя путями (нем. физик X. Бете и др., 1938—39): 1) в протон-протонной, (рр) цепочке, или водородном цикле (табл. 2); 2) в углеродно-азотном (CN), или углеродном, цикле (табл. 3).

Табл. 2. ВОДОРОДНЫЙ ЦИКЛ

Первые три реакции входят в полный цикл дважды.

Времена реакций рассчитаны для условий в центре Солнца: Т= 13 млн. К (по др. данным, 16 млн. К), плотность Н — 100 г/см3. В скобках указана часть энерговыделения, безвозвратно уходящая с v.

В CN-цикле ядро 12С играет роль катализатора.

Табл. 3. УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ

Для Солнца и менее ярких звёзд в полном энерговыделении преобладает рр-цикл, а для более ярких звёзд — CN-цикл. В начале 70-х гг. всеобщая уверенность в термояд. механизме генерации солн. энергии была временно поколеблена тем фактом, что непосредственно измеренный поток солн. нейтрино, достигающий Земли, оказался значительно меньше теоретически ожидаемого для рр-цикла. Однако последующие измерения снизили это расхождение до множителя =3, что в совокупности с неточностью как измерений, так и теор. модели Солнца (в частности, темп-ры в его центре) в осн. рассеяло возникшие сомнения. Водородный цикл разветвляется на три варианта. При достаточно больших концентрациях 4Не и T>(10— 15) млн. К в полном энерговыделении начинает преобладать вторая ветвь рр-цикла, отличающаяся от приведённой в табл. 2 заменой реакции 3Не+3Не на цепочку:

3Не+4Не ®7Ве+g, 7Ве+е-® 7Li +g, p+7Li ® 24He,

а при ещё более высоких Т.— третья ветвь:

3Не+4Не ®7Ве+g, р+7Ве®8В+g, 8В®8Be+e++n, 8Be®24He.

Для звёзд-гигантов с плотными выгоревшими (по содержанию Н) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы Т. р.; они протекают при значительно более высоких темп-рах и плотностях, чем рр- и CN-циклы. Осн. реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с Т»200 млн. К, является т. н. процесс Солпитера: 34Не ®12C+g1+g2+7,3 МэВ (процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро 8Ве). Далее могут следовать реакции 12С+4Не ® 16О+g, 16O+4Не ® 20Ne+g; в этом состоит один из механизмов нуклеогенеза. Интересно, что сама возможность процесса Солпитера, а тем самым и нуклеогенеза большинства элементов (предпосылка возникновения всех форм жизни!) связана с таким случайным обстоятельством, как большая «острота» резонанса в зависимости s(v) для яд. реакции 34Не®12С, обеспечиваемая наличием подходящего дискр. уровня энергии у ядра 8Ве.

Если продукты реакций гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществится неоновый (Ne—Na) цикл, в к-ром ядро 20Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу (табл. 3), только ядра 12С, 13N, 13C, 14N, 15O, 16N заменяются соотв. ядрами 20Ne, 21Na, 21Ne, 22Na, 23Na, 23Mg. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Однако он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеогенеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (21Ne) может служить источником нейтронов: 21Ne+4He ®24Mg+n (аналогичную роль может играть и ядро С, участвующее в CN-цикле).

Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами b-распада, явл. механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер.

Ср. интенсивность энерговыделения e в типичных звёздных Т. р. по земным масштабам ничтожна; так, для Солнца (в ср. на 1 г солн. массы) e=2 эрг/с
• г. Это гораздо меньше, напр., скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена в-в. Однако вследствие огромной массы Солнца (2
• 1033 г) полная излучаемая им мощность (4
• 1026 Вт) чрезвычайно велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца приблизительно на 4 млн. т).

Благодаря колоссальным размерам и массам Солнца и звёзд в них идеально решается проблема удержания (в данном случае гравитационного) и термоизоляции плазмы: Т. р. протекают в горячем ядре звезды, а теплоотдача происходит с удалённой от ядра и гораздо более холодной поверхности. Только поэтому звёзды могут эффективно генерировать энергию в таких медленных процессах, как рр- и CN-циклы (табл. 2 и 3). В земных условиях эти процессы практически неосуществимы; напр., фундам. реакция p+p®d+e+ +n непосредственно вообще не наблюдалась.

Т. р. в земных условиях. На Земле имеет смысл использовать лишь наиболее эффективные из Т. р., прежде всего связанные с участием дейтерия и трития. Подобные Т. р. в сравнительно крупных масштабах осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных, или водородных, бомб. Вероятная схема реакций в термояд. бомбе включает Т. р. 12, 7, 4 и 5 (табл. 1), но возможны и другие Т. р., напр. 16, 14, 3.

Использованием Т. р. в мирных целях может явиться управляемый термоядерный синтез (УТС), с к-рым связывают надежды на решение энергетич, проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешёвого горючего для управляемых Т. р. Для УТС наиболее важны Т. р. 7, 5 и 4 (а также 12 для регенерации дорогостоящего трития).

Независимо от целей непосредств. получения энергии термоядерный реактор может быть использован в кач-ве мощного источника быстрых нейтронов. Последние могут быть использованы, в частности, в энергетич. целях в последующих реакциях деления тяжёлых ядер (см. ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА) в окружающем реактор бланкете из урана (или тория). Это т. н. гибридный реактор, работающий по схеме «синтез — деление» и являющийся одним из звеньев программы УТС. С другой стороны, заметное внимание привлекли к себе и «чистые» Т. р., но дающие нейтронов, напр. реакции 10, 20 (табл. 1).

термоя́дерные реа́кции

реакции слияния лёгких ядер в более тяжёлые, происходящие при высоких температурах. Сопровождаются выделением энергии; основной источник энергии Солнца и других звёзд (см. также Управляемый термоядерный синтез).

* * *

ТЕРМОЯ́ДЕРНЫЕ РЕА́КЦИИ, реакции слияния легких ядер в более тяжелые, происходящие при высоких температурах. Сопровождаются выделением энергии; основной источник энергии Солнца и др. звезд (см. также Управляемый термоядерный синтез(см. УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ (УТС))).

реакции слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлые (реакции синтеза ядер), происходящие при сверхвысоких темп-рах порядка 10⁸ К и выше. Необходимость сверхвысоких темп-р для протекания Т. р. обусловлена тем, что из-за сильного электростатич. взаимного отталкивания (см. Кулона закон) ядра могут в процессе теплового движения столкнуться (сблизиться на малое расстояние порядка радиуса действия ядерных сил) и прореагировать только при достаточно большой кинетич. энергии их относит. движения. Т. р. сопровождаются выделением огромных кол-в энергии, что способствует поддержанию сверхвысоких темп-р. Напр., при полном превращении 1 кг водорода в гелий выделяется около 8*10¹⁴ Дж - примерно в 10 раз больше, чем при делении 1 кг ²³⁵U, и приблизительно в 20 млн. раз больше, чем при сжигании 1 кг бензина. В естеств. условиях Т. р. происходят на Солнце, в звёздах, являясь осн. источником излучаемой ими энергии. Искусств. Т. р. получены пока только в форме неуправляемых нестационарных реакций, используемых, напр., в термоядерном оружии. Гл. трудность осуществления управляемой искусств. Т. р. связана с созданием аффективной системы, обеспечивающей длительную теплоизоляцию термоядерного рабочего в-ва от окружающей среды. Одно из перспективных направлений создание установок, использующих для удержания горячей плазмы магнитные ловушки. См. рис.

Эскиз установки Т-20 (СССР) для осуществления управляемых термоядерных реакций

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ — реакции слияния лёгких атомных ядер (см. реакции ядерные-Ъ) в более тяжёлые (реакции синтеза ядер гелия из изотопов водорода); они происходят при сверхвысоких температурах (десятки и сотни миллионов градусов) и сопровождаются выделением колоссальной энергии. Напр. при синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2-10¹¹Дж. Такая же энергия выделяется при сжигании Ют дизельного топлива. Слияние двух одноименно заряженных ядер водорода возможно только в том случае, если кинетическая энергия самых быстрых частиц достаточна для преодоления потенциальной энергии электростатического барьера отталкивания, равного примерно 10^-14 м. Это возможно только при нагреве атомных ядер до очень высоких температур (порядка 10^s К и выше). Только при такой температуре, существующей лишь в недрах горячих звёзд, для положительно заряженных ядер становится возможным преодолеть взаимодействие отталкивающих (кулоновских) сил и войти в сферу действия др., еще более мощных и уже притягивающих сил — сил ядерных (см.). В естественных условиях Т. р. происходят в недрах Солнца и др. горячих звёзд, являясь основным источником излучаемой ими энергии. Благодаря очень большим размерам и массам звёзд в них идеально решается проблема длительного удержания (в данном случае гравитационного) и термоизоляции высокотемпературной плазмы. В земных условиях искусственная Т. р. получена пока только в виде неуправляемой реакции при взрыве термоядерной (водородной) бомбы. Попытки создать управляемую Т. р. привели к изобретению токамака (см.), принципы действия которого считаются основой будущей энергетики. (См. реактор ядерный-4.)

реакции слияния лёгких ядер в более тяжёлые, происходящие при высоких темп-pax. Сопровождаются выделением энергии; осн. источник энергии Солнца и др. звёзд (см. также Управляемый термоядерный синтез).