Ядерний синтез
Ядерний синтез об’єднує легкі ядра у важчі. Для достатньо легких ядер продукти можуть мати більшу енергію зв’язку на нуклон, тому різниця мас вивільняється як енергія. Головна складність — зблизити позитивно заряджені ядра попри кулонівське відштовхування.
Чому потрібна висока температура
За високої температури частинки плазми мають великий розподіл кінетичних енергій. Лише хвіст цього розподілу наближає ядра достатньо близько, щоб квантове тунелювання крізь кулонівський бар’єр дало помітну ймовірність реакції.
Тунелювання і Гамовський пік
Швидкість реакції визначається компромісом: дуже енергійні частинки рідкісні, але легше проникають крізь бар’єр; менш енергійні поширеніші, але мають меншу тунельну ймовірність. Добуток цих факторів формує характерне енергетичне вікно — Гамовський пік.
Плазма і утримання
За термоядерних температур речовина іонізована. Її не можна просто тримати у звичайній стінці без великих втрат. Магнітне утримання використовує рух заряджених частинок у полях, а інерційне — дуже швидке стиснення мішені до високої густини.
Умова Лоусона
Для енергетично вигідного синтезу важливі густина плазми, температура і час утримання. Їх не можна розглядати окремо: занадто мала густина дає мало зіткнень, занадто коротке утримання — надто великі втрати, а недостатня температура різко зменшує реакційну здатність.
Реакція D–T
Одна з найсприятливіших реакцій — дейтерій + тритій → гелій-4 + нейтрон. Значна частина енергії припадає на нейтрон, який не утримується магнітним полем і передає енергію матеріалам оболонки. Це одночасно шлях до тепла і серйозна матеріалознавча проблема.
Зорі
У зорях гравітація забезпечує величезний тиск і довгий час утримання. У Сонці основний ланцюг перетворює водень на гелій через слабку взаємодію, тому окремі етапи повільні. Саме повільність робить зоряне горіння стабільним на мільярди років.
Енергетичний баланс
Не кожна зареєстрована реакція означає корисний енергетичний вихід системи. Треба порівнювати енергію синтезу з енергією нагрівання, магнітів, лазерів, кріогеніки та інших підсистем. Різні коефіцієнти Q можуть описувати різні межі системи, тому їх слід читати уважно.
Чому матеріали є частиною задачі
У D–T-системі нейтрони мають високу енергію і не відхиляються магнітним полем. Вони вибивають атоми з кристалічної ґратки, можуть утворювати гелій і водень у матеріалі та змінювати механічні властивості стінок. Тому успішний синтез — це не лише досягнення температури плазми: потрібні матеріали, які витримують нейтронне навантаження, теплові потоки й багато циклів роботи.
Вправа
Чому висока температура не означає, що всі ядра мають однакову енергію?
Розв’язання
Температура характеризує статистичний розподіл енергій. У плазмі існує широкий спектр швидкостей; для синтезу особливо важливий високоенергетичний хвіст розподілу разом із тунелюванням.