Плазма и термоядерный синтез

От урана к дейтерию

В поисках новых источников энергии обратимся от тяжелых элементов - урана и тория к самым легким веществам-водороду с атомной массой ~1 и его изотопам: дейтерию с атомной массой ~2 и тритию с атомной массой ~3. В отличие от обычного водорода дейтерий и тритий обладают большим запасом избыточной внутриядерной энергии, которая может выделяться при реакциях синтеза. Реакция синтеза - это процесс, в котором два ядра, сталкиваясь, образуют новое, более тяжелое ядро. В результате таких реакций выделяется огромное количество энергии.

Для записи ядерных реакций пользуются символами. Вот некоторые из них: ¹Н — ядро водорода — протон; ²Н — ядро дейтерия — дейтрон (состоит из протона и нейтрона); ³Н — ядро трития — тритон (состоит из протона и двух нейтронов); ³Не —ядро изотопа гелия с атомной массой 3; ⁴Не —ядро изотопа гелия с атомной массой 4; р — протон, то же, что и ¹Н; п — нейтрон.

Энергию, выделяющуюся при реакциях синтеза, принято выражать в миллионах электронвольт (МэВ):

Электронвольт — это энергия, приобретаемая электроном или другой элементарной частицей с единичным зарядом при прохождении разности потенциалов, равной 1 В. Теперь с помощью символов можно изобразить два возможных варианта реакции с использованием дейтерия:

В реакциях синтеза можно использовать и тритий, и смесь дейтерия с тритием. Но тритий в природе практически не встречается, его изготовляют в урановых реакторах. Запасы же дейтерия в природе огромны. В ведре обычной воды содержится около 1 г тяжелой воды, каждая молекула которой состоит из атома кислорода и двух атомов дейтерия. Если теперь взглянуть на карту Земли с ее морями и океанами, то легко понять, что возможность использования внутриядерной энергии дейтерия позволила бы человечеству раз и навсегда решить энергетическую проблему.

Гелий-III и тритий, получающиеся в "результате реакций на дейтерии, также могут вступать в реакцию синтеза с дейтерием, причем с выделением еще больших энергий. С учетом этого продолжим запись двух вариантов реакций на дейтерии, а потом подведем итог, просуммировав каждые два уравнения:

При обоих вариантах реакций мы приходим к одному и тому же результату: дейтерий переходит в гелий, причем процесс этот сопровождается излучением протонов, нейтронов и выделением энергии.