- •Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
- •Реакции термоядерного синтеза
- •Термоядерная энергетика
- •Кулоновский барьер
- •Схема конструкции водородной бомбы
- •Водородный цикл
- •По мере истощения запасов водорода происходит накопление гелия и формируется гелиевое ядро.
- •Дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы. Если начальная масса звезды меньше некоторого
- •В момент взрыва возникают мощные потоки нейтронов, которые и приво- дят к появлению
- •Если после взрыва сверхновой сохраня-
Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
48.(0). Реакции термоядерного
синтеза. Ядерные реакции в
звездах. Проблема УТС.
Реакции термоядерного синтеза
2 H |
2H |
1 |
3He n, |
|
(Q 3.25Мэв) |
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
2 H1 2H1 |
3H1 p, |
|
(Q 4.03Мэв) |
|||
2H |
3H |
1 |
4He n, |
|
(Q 17.6Мэв) |
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
p 7 Li |
4He 4He , |
(Q 17.3Мэв) |
||||
|
3 |
|
2 |
2 |
|
|
n |
6 Li 4He |
3H |
, |
(Q 4.8Мэв) |
||
|
3 |
|
2 |
1 |
|
|
Термоядерная энергетика
Водород имеет стабильный изотоп: тяжелый водо- род (дейтерий) и радиоактивный изотоп : сверхтя-
желый водород (тритий). В природной воде в сред-
нем содержится ок. 99.985% обычной ("легкой") воды, и ок. 0.015% тяжелой воды.
При использовании дейтерия, содержащегося в бу-
тылке воды, выделится столько же энергии, сколь- ко при сжигании бочки бензина: калорийность тер-
моядерного топлива в миллион раз выше любого
из современных неядерных источников энергии. При этом окружающей среде будет нанесен мини- мальный вред, а топливо для термоядерной элек- тростанции доступно всем без исключения стра-
нам.
Кулоновский барьер
Чтобы осуществить реакцию синтеза, необходимо
сблизить ядра до расстояния R 10-14 м. Но ядра
имеют положительный электрический заряд, а од- ноименные заряды отталкиваются по закону Куло- на. Для преодоления кулоновского барьера оттал- кивания необходима температура Т порядка
kT e2/4 0R,
откуда Т 109 К.
Более точный расчет дает температуру на порядок меньшую: Т 108 К, но все равно это очень много.
Любое вещество при такой температуре находит-ся в состоянии высокотемпературной плазмы.
Схема конструкции водородной бомбы
А- атомная бомба, в резуль-
тате взрыва которой соз-
дается температура при-
мерно 109К
Т - термоядерное горючее (смесь дейтерия и трития)
В - взрывчатое вещество (обычное) для приведения в
действие атомной бомбы
О - оболочка для предотвра- щения преждевременного
разбрасывания ядерного
горючего
Водородный цикл
1H1 + 1H1 2H1 + e+ + e , |
|
1H1 + 2H1 3He2 + , |
|
3He2 + 3He2 4He2 + 2p, |
|
3He2 + 4He2 7Be4 + , |
|
7Be4 + e– 7Li3 + e, |
(48.2) |
7Li3 + p 8Be4 4He2 + 4He2, 7Be4 + p 8B5 + ,
8B5 8Be4 + e+ + e, 8Be4 4He2 + 4He2.
По мере истощения запасов водорода происходит накопление гелия и формируется гелиевое ядро.
Следующий этап в жизни звезды - горение гелия
в реакции:
4He2 + 4He2 + 4He2 12C6 + . |
(48.3) |
Продолжительность этого этапа примерно в 10 раз меньше, чем горения водорода. Еще более быс- тро протекают следующие этапы: горение угле-
рода, неона, кислорода, кремния. Конечным
этапом звездного термоядерного синтеза явля- ется образование ядер железа, т.к. именно эти
ядра имеют наибольшую удельную энергию
связи.
Дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы. Если начальная масса звезды меньше некоторого
критического значения, равного примерно 8 солнеч-
ным массам, то за счет сил гравитационного сжатия
звезда уменьшится в размерах и станет "белым карликом", который, постепенно остывая, превра- тится в "черного карлика". Если же начальная мас- са звезды превышает это критическое значение, то давление вырожденного электронного газа не смо- жет противодействовать силам гравитационного сжатия, электроны будут "вдавлены" в протоны, произойдет превращение пары протон-электрон в пару нейтрон-нейтрино, звезда коллапсирует в сильно сжатое состояние с выделением огромной
энергии: произойдет то, что в астрономии называ-
ется взрывом сверхновой звезды.
В момент взрыва возникают мощные потоки нейтронов, которые и приво- дят к появлению элементов с массо- выми числами больше 56. Взрыв сверхновой - довольно редкое собы- тие. Однако количество выбрасывае- мого в межзвездное пространство вещества таково, что как раз и позво- ляет объяснить распространенность тяжелых элементов во Вселенной.
Если после взрыва сверхновой сохраня-
ется остаток массы не менее 3-х сол- нечных масс, то он не может сущест-
вовать в виде устойчивой нейтронной звезды, гравитационное сжатие будет продолжаться, и возникнет объект, ко- торый называется черной дырой.
Основное свойство черной дыры состоит
в том, что никакие испускаемые ею сиг-
налы не могут выйти за ее пределы и
достигнуть внешнего наблюдателя.