Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. - Квантовая физика (2004), страница 69

(7.37) Требующийся для этой реакции тритий может быть получен из лития: ол+ 31"1 ~ 1Н+ 2Не' (7.38) 452 В реакции синтеза (7.37) энерговыделение в расчете на один нуклон, а значит и на единицу массы ядерного "горючего", в четыре с лишним раза больше, чем в реакции деления (7.35).

Однако, для того чтобы получить ядерную энергию в реакции синтеза легких ядер, следует сблизить ядра на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил, под действием которых и происходит перестройка структуры нуклонов. Но ядра заряжены одноименным положительным зарядом. Поэтому при их сближении необходимо преодолеть кулоновский барьер высотой порядка 10 эВ. Для преодоления такого высокого барьера сталкивающемуся ядру следует сообщить достаточно высокую кинетическую энергию. Это можно сделать, разогрев смесь реагирующих ядер до температуры порядка десятков и даже сотен миллионов градусов. Именно поэтому такие ядерные реакции синтеза получили название термоядерных реакций.

В варианте неуправляемого термоядерного взрыва в водородной бомбе нагрев до таких температур осуществляется взрывом плутониевой атомной бомбы с последующим выделением гигантской энергии реакции синтеза. Первый термоядерный взрыв был осуществлен в СССР в 1953 г. С более сложными проблемами приходится сталкиваться при осуществлении реакции управляемого термоядерного синтеза (УТС).

Ясно, что никакой материал стенок термоядерного реактора не в состоянии длительно выдержать температуру порядка 7 8 10 ...10 К. При таких температурах любое вещество превращается в полностью ионизированную плазму. Но даже кратковременное взаимодействие горячей плазмы со стенкой реактора приведет к охлаждению плазмы до температуры, меньшей термоядерной. На какое же время т следует удержать от контакта со стенками высокотемпературную дейтериево-тритиевую плазму, нагретую до температуры 10 К? На этот вопрос дает ответ условие Лоусона. Если и, — объемная концентрация ядер в горячей плазме И + г, то, для того чтобы в плазме могла быль осуществлена управляемая термоядерная реакция, необходимо, чтобы параметр удержания пят был не менее, чем л т=10 с/см =10 с/м . (7.39) Условие (7.39) называется критерием Лоусона.

453 Таким образом, возникает проблема удержания высокотемпературной плазмы. В основе одной из первых идей магнитного удержания плазмы (И.Е. Тамм, А.Д. Сахаров, 1950) лежит известный в электродинамнке линч-эффект, когда при пропускании тока через проводящую газовую среду возникает взаимодействие тока с создаваемым им магнитным полем, которое сжимает токовый канал. Магнитное поле отжимает высокотемпературную плазму с током от стенок камеры.

Соприкосновения плазмы с торцевыми элементами можно избежать, если сделать рабочую камеру в форме тора. В таких установках, получивших название "Токамак", создание плазмы, ее нагрев до термоядерных температур и отрыв от стенок камеры осуществляют импульсным током газового разряда, вызываемого в плазме индукционным способом. Главная трудность практической реализации магнитной термоизоляции плазмы связана с неустойчивостью плазменного шнура с протекающим током.

Например, прямой цилиндрический плазменный шнур, удерживаемый осевым током, не устойчив относительно образования перетяжек и перегибов шнура. Такие первоначально малые деформации экспоненциально нарастают, и за несколько микросекунд разрушают плазменный шнур. Борьба с такими неустойчивостями ведется во многих исследовательских лабораториях мира, и для разреженной плазмы уже достигнуто время удержания, приближающееся к значениям критерия Лоусона.

Другой способ осуществления управляемой термоядерной реакции связан с разогревом, сжатием и удержанием термоядерной мишени с помощью воздействия на нее мощных пучков лазерного излучения (Н.Г. Басов, О.Н. Крохин, 1962). В таких установках для протекания энергетически выгодной термоядерной реакции синтеза критерий Лоусона следует превзойти по крайней мере в сотни раз, так как световая энергия лазерного пучка составляет примерно 1 % от подводимой к лазеру электрической энергии. Можно с уверенностью предсказать, что термоядерные энергетические установки в ХХ1 в.

обеспечат человечество практически неисчерпаемым экологически "чистым" источником энергии. Термоядерные реакции синтеза играют существенную роль в энергетическом балансе видимой части Вселенной, около 70 % вещества которой составляет водород. Современная астрофизика утверждает, что в недрах звезд и, в частности, в недрах Солнца протекают реакции синтеза ядер. В результате цепи ядерных пре- 454 вращений, которые объединяются одним названием "цикл", из водорода образуются более тяжелые элементы.

Один из возможных циклов протекает с участием ядер изотопа 6С, образовавшихся !2 при слиянии трех ядер гелия 2 Не, и называется углеродным циклом (Г. Бете, 1939). Итогом углеродного цикла является превращение четырех ядер водорода (протонов) в ядро гелия. Этот процесс сопровождается выделением 26,8 МэВ энергии.

Часть этой энергии в конечном итоге выделяется с поверхности Солнца в виде солнечного излучения, обеспечивающего энергией все жизненные процессы на Земле. 7.4. Элементарные частицы Различные физические системы и явления, которые в этих системах происходят, можно рассматривать с разных точек зрения. Один из подходов, позволяющих провести анализ и классификацию таких систем, основывается на характерных масштабах системы, т. е. типичных размерах исследуемых объектов и типичных расстояниях Я между ними.

Все, что нас окружает и воспринимается нашими органами чувств, представляет собой макромнр. Он обладает "обычными", с нашей бытовой точки зрения, размерами и является предметом изучения макроскопической физики. При анализе явлений, происходящих во Вселенной, т. е. в случае, когда характерные масштабы й очень велики и составляют порядка 10 световых лет, мы имеем дело с так называемым мегамнром. Процессы, происходящие в мегамире, изучают космология и астрофизика. Физические системы, характерные маспггабы которых не превышают й <10 ~ м, относят к области микромира.

Законы явлений, происходящих в микромире, изучает квантовая теория. Сказанное проиллюстрировано на рис. 7.14. В рамках классической макроскопической физики, описывающей макромир, рассматривают два вида существования материи— вещество и поле, причем под полем главным образом понимается электромагнитное поле. Следует, однако, иметь в виду, что в современной физике грань между понятиями вещества и поля прак- 455 тически полностью стирается. Вещество может превращаться в поле (например, при аннигиляции электрона и позитрона), а поле — в вещество (рождение электрон-позитронных пар).

Рис. 7.14. Уровни строения материи Как известно, в конце Х1Х в. бь|ло окончательно установлено, что вещество состоит из молекул, а молекулы — из атомов. Таким образом, первый уровень микромира — атомно-молекулярный (см. рис. 7.14). Характерный масштаб этого уровня 10-а 10 Опыты Резерфорда по рассеянию а-частиц привели к созданию планетарной (ядерной) модели атома.

Они показали, что в состав атома входит положительно заряженное массивное ядро, которое определяет химическую индивидуальность элементов. Атомные ядра образуют следующий, ядерный, уровень строения материи, характерные масштабы которого Яя -10 1 ...10 м 456 Составной частью атома являются также и электроны, но они находятся на более глубоком уровне микромира. Атомные ядра состоят из нуклонов — протонов и нейтронов.

Эти частицы представляют целый класс микрообъектов, которые называются адронами (разъяснение этой и другой терминологии, используемой в этом параграфе, дано далее). Масштабы адронного уровня микромира г 1(Г15„/О™ = /6 На самом нижнем уровне, доступном для экспериментальных исследований в настоящее время, находятся кварки, лептоны (родоначальником класса лептонов является электрон) и переносчики взаимодействий, в частности фотон. О переносчиках взаимодействий следует сказать несколько подробнее. В соответствии с квантовой тео ней поля взаимодейств ме дв ча ами исхо за счет обмена ме ними ьей частицей, кото ая и является п еносчиком взаимо ейст- вия.

В классической физике считается, что, например, электромагнитное взаимодействие осуществляется за счет электромагнитного поля. Согласно квантовой теории, электромагнитное взаимодействие двух заряженных частиц осуществляется за счет обмена между ними фотоном: одна частица испускает фотон, другая — поглощает. Таким образом, отон является п еносчиком эле омагннтного взшмодейстння. Поскольку наряду с электромагнитным существуют и другие фундаментальные взаимодействия, то существует и очень важный класс микрообъектов — переносчиков взаимодействий — родоначальником которого является фотон. Уровень элементарных частиц. Строго говоря, элементарными частицами следует называть первичные, неделимые на составные части микрообъехты.