Термоядерная реакция и энергия в физике: что это, примеры синтеза

Термоядерная энергия – это энергия, подобная химической, ведь генерируется или высвобождается за счёт трансформации частиц. Химическая проявляется в превращении одних веществ в другие за счёт химической реакции. Термоядерная – за счёт преобразования элементов при высоких температурах. Высокотемпературный ядерный синтез может обеспечить человечество безвредным и почти нескончаемым источником энергии. Рассмотрим, что такое реакция термоядерного синтеза, приведём примеры таких явлений. Разберёмся, где они используются.

Термоядерная реакция: это что за процесс

Основная часть энергии, используемой человечеством, синтезируется за счёт ядерных реакций. В реакторах тяжёлые радиоактивные ядра по 2-3 раза делятся на более простые с выделением энергии. Реакция ядерного синтеза, наоборот, предполагает создание тяжелых атомов из лёгких.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе благодаря силовому взаимодействию. Сила связи между ними определяется числом нуклонов в химическом элементе. В лёгких ядрах связи сильнее, в тяжёлых они слабеют. При добавлении нуклонов в лёгкие атомы либо их удалении из тяжёлых выделяется излишек энергии – разница между нужной для протекания реакции и кинетический энергией высвободившихся частиц. Мы разобрались, что такое реакции ядерного синтеза – процесс увеличения числа нуклонов в ядре с выделением лишней энергии.

Протоны в ядре обладают электрическим зарядом, то есть испытывают кулоновские силы – отталкиваются друг от друга. Сильное взаимодействие компенсирует эти отталкивания, отчего нуклоны удерживаются вместе. Сильное взаимодействие обладает меньшим радиусом, чем кулоновское отталкивание, поэтому для объединения пары лёгких ядер в одно тяжёлое их придётся приблизить на расстояние сильного взаимодействия, преодолевая кулоновские силы.

Существует три способа решения проблемы:

• Сила гравитации – действует в звёздах, в том числе в Солнце.
• Кинетическая энергия частиц, которые разгоняют в ускорителях.
• Термоядерная реакция – потенциал теплового перемещения «неделимых» элементарных частиц.

Реакции термоядерного синтеза изучает раздел, называемый термоядерной физикой.

История открытия и примеры явления

Г. Гамов в 1934 г. предположил, что Солнце излучает широкий спектр волновой энергии за счёт термоядерных реакций – внутри светила ядра водорода превращаются в сложные элементы путём сталкивания в условиях высоких температур и давления. Уже в начале 1950-х проводились первые опыты по синтезу сложных химических веществ из простых, тогда и появились токамаки. Ныне различают следующие виды реакторов:

• Квазистационарная система – плазма удерживается электромагнитным полем при невысоком давлении.
• Импульсная система – контроль над процессом происходит благодаря лазерам и ионным импульсам.

Существуют десятки проектов термоядерных реакторов, но ни один из них в должной мере не реализован. Основные причины: нужны многомиллиардные вложения и недостаток знаний – человечество не научилось полностью контролировать процессы, происходящие при синтезе тяжёлых ядер и более лёгких.