Понятие о термоядерной реакции. Энергия Солнца и звезд

Средняя энергия связи нуклона в ядре E_св/A растет с ростом А до A ≈ 50-60. Поэтому, когда образуется среднее или легкое ядро при слиянии более легких ядер, должна освобождаться энергия, поскольку в новом ядре нуклоны сильнее связаны, чем в исходных ядрах.

Особенно велико должно быть выделение энергии при синтезе легких ядер, так как величина E_св/A при малых А растет очень быстро. Так, при образовании ядра гелия из ядер дейтерия и трития:

³₁H + ²₁H → ⁴₂He + ₀n¹ + 17,6 МэВ,

выделяется энергия: 28,3 – (8,5 + 2,2) = 17,6 МэВ. В расчете на один нуклон, участвующий в реакции, получается 17,6/6 ≈ 3,5 МэВ, что в 4 раза больше, чем в реакции деления ядер урана. Таким образом, при полном преобразовании 1 кг смеси дейтерия и трития в гелий выделяется в 4 раза больше энергии, чем при полном распаде 1 кг урана.

Чтобы сблизиться на расстояние, достаточное для вступления в реакцию, ядра должны обладать большой кинетической энергией, поскольку сближению одноименно заряженных ядер препятствуют электростатические силы отталкивания.

При нагреве смеси реагирующих ядер до очень высоких температур кинетическая энергия теплового движения ядер становится достаточно высокой для осуществления реакций ядерного синтеза, получивших название термоядерных реакций.

Такие условия существуют на Солнце и других звездах. В центре Солнца температура достигает примерно 13 млн. градусов. При такой температуре атомы полностью ионизированы и вещество представляет собой плазму, содержащую «голые» ядра (без электронной оболочки) и электроны. В недрах Солнца происходит цикл термоядерных реакций, в результате которого ядра водорода превращаются в ядра гелия:

4¹₁H → ⁴₂He + 2₊₁e⁰ + 26,7 МэВ

В этом цикле освобождается энергия, почти равная энергии связи ядра ⁴₂He (она несколько меньше E_св так как на превращение двух протонов в нейтроны и позитроны затрачивается энергия).

Приблизительный состав Солнца таков: около 70% водорода, 29% гелия и 1% более тяжелых элементов. Масса Солнца составляет 2*10³⁰ кг. Можно подсчитать, что если Солнце и впредь, как и сейчас, будет излучать энергию Дж в секунду, то водорода хватит на 10¹¹ лет.

По составу и физическим свойствам Солнце является типичной средней звездой, и цикл термоядерных реакций превращения водорода в гелий является главным источником энергии большинства звезд.

В недрах звезд могут протекать и другие реакции синтеза. По мере «выгорания» водорода в центре звезды образуется — гелиевое ядро, в котором при температуре около 100 млн. градусов могут происходить превращения и другие термоядерные реакции.