В легких ядрах удельная энергия связи увеличивается с ростом числа нуклонов в ядре не плавно. Первым относительно устойчивым ядром среди легких ядер есть 2 Не. В нем два протона и два нейтрона. Спины нейтронов и протонов в ядре гелия антипараллельно. Суммарный спин ядра равен нулю.
Поэтому в ядре нет сил отталкивания, обусловленного спиновыми и спиноорбитальнимы силами, ядро упаковано лучше для такого числа частиц. Следующие максимумы в удельном энергии связи легких ядер наблюдаются там, где число частиц кратное числу частиц, имеющий \ Не. Это 6 С, 8 А. спины этих ядер также равны нулю. Если два легких ядра соединяются, то упаковка конечного ядра будет выше, за счет этого при соединении ядер выделится некоторое количество энергии (см. рис. 17.7). Особенно энергетически выгодно, если конечным ядром будет ядро гелия или ядро с числом нуклонов, кратным числу их в ядре гелия. Материалом для реакций соединения (синтеза) являются изотопы водорода. Более тяжелые ядра этих реакций не используют. Это связано с тем, что они имеют относительно большой электрический заряд, и для сближения двух ядер нужно преодолеть электростатическое силу отталкивания, пропорциональную произведению электрических зарядов ядер. Силу отталкивания можно преодолеть, предоставляя ядрам кинетическую энергию. Для этого вещество нагревают и таким образом увеличивают относительную скорость движения ядер. Даже ядра дейтерия и трития (изотопы водорода? Н и ХН), имеющих наименьший электрический заряд, приходится нагревать до очень высоких температур. Изотопы водорода - дейтерий и тритий - выгодные материалы для реакций ядерного синтеза. Поскольку ядра соединяются за счет высокой кинетической энергии, образующейся при нагревании, реакции ядерного синтеза называют еще термоядерными. При соединении двух дейтронов (ядер дейтерия) у половины из них образуются ядро 2 Не и нейтрон. Эти реакции могут быть основой для осуществления реакции синтеза атомных ядер для энергетического использования, поскольку они имеют относительно большие значения выделенной энергии. А если учесть, что запасы дейтерия на Земле практически неисчерпаемы (он входит в состав воды океанов), то понятно, что с осуществлением управляемой реакции синтеза в земных условиях будет полностью решена проблема энергоснабжения.
Необходимым условием для реализации самопидтримнои реакции синтеза является очень высокая температура для преодоления так называемого кулонов-ского барьера заряженных частиц, который не позволяет ядрам приблизиться друг к другу на расстояние порядка радиуса ядерных сил. Для легких ядер кулоновский барьер невысок, и для эффективного прохождения, например, реакций (17.55) и (17.56) нужны дейтронов с энергией около 0,1 МэВ. Нетрудно подсчитать, что температура, которая будет отвечать этой энергии, равна 1,1 Ю9 К. Эта температура превышает температуру центральных областей Солнца, равный 1,3 10 К. Известно, что вещество при такой высокой температуры должна находиться в состоянии плазмы, то есть в виде полностью йони-циализированных атомов («голых» ядер) и свободных электронов. Такие высокие температуры пока получить не удалось. Однако оказывается, чтобы процесс синтеза состоялся в лабораторных условиях, ее можно снизить до 108 л.с.
Реакцию соединения дейтерия с тритием (17.57), точнее реакцию между ядрами этих веществ, осуществлено в земных условиях при взрыве водородной бомбы. Мощность такого взрыва эквивалентна мощности взрыва сотен и более миллионов тонн тротила. Начальная температура для осуществления термоядерной реакции в водородной бомбе достигается с помощью взрыва атомной бомбы, основой которой является реакция деления ядер.
Для соединения двух дейтронов надо сблизить их, преодолев электростатическое силу отталкивания одинаковых по знаку зарядов на такое расстояние, где действуют ядерные силы притяжения. Радиус ядерных сил равна около 1,4 Ф. Учитывая, что размеры дейтрона несколько больше размеры протона, расстояние между центрами двух дейтронов должен быть около 3,5 Ф. Для сближения на такое расстояние при прямом столкновении дейтронов-снаряда нужно предоставить, если дейтронов -мишень при этом не двигается, кинетическую энергию около 1 МэВ. При встречном движении двух дейтронов с одинаковой скоростью кинетическая энергия несколько меньше. Как же происходит реакция синтеза? нарушается, а также уменьшается и импульс, равный произведению массы на скорость. В момент максимального сближения импульс, казалось бы, должна равняться нулю, то есть быть вполне определенным. Это бывает тогда, когда дейтронов сближаются на расстояние около 200 Ф. Однако согласно соотношению неопределенностей одновременно невозможно точно определить значение импульса и координаты частицы. С приближением импульса к нулю его неопределенность уменьшается, а неопределенность в координате частицы растет. В какой-то момент она может достичь и даже превысить 200 Ф. При этом налетающих дейтронов с одинаковой вероятностью может оказаться в любой точке сферического объема радиусом 200 Ф или более, он может оказаться и вблизи ядра-мишени, и в самом ядре. Итак, с помощью соотношения неопределенностей можно объяснить существование реакций синтеза при энергиях, меньших энергию потенциального барьера. Вероятность такого явления экспоненциально возрастает при уменьшении разницы между высотой потенциального барьера (1 МэВ) и кинетической энергией частицы. Взаимодействие ядер при энергиях, меньших, чем нужно для преодоления потенциального барьера, можно объяснить проникновением частицы через стенки потенциального барьера, а не «перевалкой» через барьер, чего требует классическая физика. Этот эффект, как известно, называют туннельным (см. раздел 16.4). Он характерен для явлений микромира. Ничего подобного в классической физике, описывающей макро-тела, нет. Только благодаря корпускулярно-волновым свойствам микрочастиц можно понять, почему реакции синтеза ядер проходят не при температуре в десять миллиардов градусов, а по значительно меньшей - сто миллионов градусов. Это является еще одним подтверждением диалектического сочетания противоположных корпускулярных и волновых свойств вещества, справедливости применения квантово-механических представлений в микромире.
Для осуществления управляемых термоядерных реакций проводятся работы, связанные с получением сверхвысоких температур пропускания через дейтерий или дейтериевой-тритиевую смесь мощных электрических разрядов в магнитном поле. При этом газ полностью йонизо-ваний и состоит из электронов и ядер (дейтронов). Если не использовать магнитное поле, то заряженные частицы из плазмы направляться к стенкам сосуда, в которой происходит разряд, отдавать ей большую часть своей энергии, поэтому высокого нагрева плазмы нельзя достичь. Магнитное поле удерживает плазму далеко от стенок в виде сравнительно тонкого шнура, вследствие чего в ней достигается температура в несколько миллионов градусов.
Больших успехов достигли ученые в осуществлении термоядерных реакций с помощью замкнутых магнитных систем для нагрева и поддержания плазмы - установок «токамак». В этих системах можно нагревать ионы водорода до температуры восемь миллионов градусов и удерживать их в горячем состоянии несколько сотых секунды. Для начала же термоядерной реакции температуру нужно повысить до 70 ... 100 миллионов градусов и удерживать плазму в течение хотя бы нескольких секунд.
Успехи в последовательном продвижении к «Токамак» - термоядерного реактора, сосредоточение научных сил в масштабах всего мира в этом основном направлении позволяют надеяться на сокращение пути к овладению управляемой термоядерной реакцией.
Теперь важнейшей задачей является увеличение времени существования устойчивого режима плазмы и увеличения ее плотности. Еще много достаточно сложных задач нужно решить для создания практической реализации термоядерных реакций, но достигнутые успехи приближают решения этой важной задачи - получение практически неисчерпаемого источника энергии.