Образование атомных ядер из элементарных частиц связанное состояние протона и нейтрона — дейтрон, страница 3

Соединению двух дейтронов не препятствуют столь жесткие ограничения. Оно протекает согласно уравнению

²₁D + ²₁D³₂ ®He+¹₀n;

в реакции образуется не ядро гелия ⁴₂Не (альфа-частица), а ядро легкого изотопа гелия и свободный нейтрон. В соответствии с законом сохранения импульса эти частицы удаляются друг от друга с большой скоростью, унося высвободившуюся в реакции энергию. Два дейтрона соединяются в результате сильного взаимодействия, так что реакция происходит сравнительно легко — практически всегда, когда энергия сталкивающихся дейтронов достаточна для преодоления электростатического отталкивания между ними. При слиянии двух дейтронов может образоваться и ядро самого тяжелого (радиоактивного) изотопа водорода — трития (³₁Т, или ³₁Н):

²₁D + ²₁D ® ³₁T + ¹₁H

Оба канала ядерной реакции с участием дейтерия приблизительно равновероятны. Как свидетельствуют расчеты ядерных процессов, протекающих в недрах Солнца, определенный дейтрон, рожденный при слиянии двух протонов, «ожидает» слияния с другим дейтроном лишь около 6 с, несмотря на то что в подавляющем большинстве он сталкивается с протонами, которых в солнечном веществе несравненно больше, чем дейтронов. Поскольку дейтроны сталкиваются с протонами очень часто, в недрах Солнца происходит и прямое слияние дейтрона с протоном:

²₁D+¹₁H®³₂He+ g

Такой процесс также до сих пор не удалось осуществить в ускорителях. Он обусловлен электромагнитным взаимодействием, которое осуществляется значительно быстрее, чем слабое взаимодействие, но далеко не достигает скорости сильного взаимодействия. Поэтому вероятность указанной реакции невелика даже после того, как сталкивающиеся дейтрон и протон преодолевают электростатический барьер; она осуществляется только в очень плотной и горячей среде, какая бывает именно в недрах звезд. Закон сохранения импульса выполняется в этом случае благодаря испусканию фотона.

Мы могли бы еще долго перечислять ядерные реакции, в которых из протонов последовательно образуются все. более тяжелые ядра. С 1932 г., когда впервые удалось — при помощи ускорителя с напряжением «всего лишь» 100 тыс. В осуществить реакцию синтеза из двух дейтронов ядра легкого изотопа гелия, продолжается систематическое исследование ядерных реакций. В частности, сегодня хорошо известны эффективные сечения реакций для ядер легких элементов и вероятность их различных каналов. Очень точно измерена и энергия, которая выделяется в экзотермических ядерных реакциях или поглощается в эндотермических.

Таблица 3. Важнейшие реакции ядерного синтеза между первыми тремя элементами таблицы Менделеева.

В табл. 3 представлены девять реакций между легкими ядрами, при которых энергия выделяется. Здесь приведены только реакции, вызванные сильными взаимодействиями. Все они были осуществлены и искусственно, на ускорителях. Впрочем, эти реакции протекают и при взрыве водородной бомбы (при температурах порядка 200—300 млн. °С), но здесь они носят характер неуправляемой, нарастающей лавины. Третью из приведенных в таблице реакций — слияние дейтерия с тритием — детально изучают с 1952 г. также с точки зрения возможности осуществления управляемого термоядерного синтеза (как источника колоссальной энергии) в горячей плазме, удерживаемой сильным магнитным полем. Полученные данные пока не позволяют построить термоядерный реактор с так называемым активным энергетическим балансом (т. е. способный давать больше энергии, чем .он потребляет). Однако в последние годы в этом направлении достигнут существенный прогресс, особенно на установках типа «Токамак»[3]: температура и плотность искусственно удерживаемой в них плазмы уже недалеки от того порога, за которым плазма должна выделять больше энергии, чем расходуется на ее нагрев и удержание[4].