Reactii termonucleare

Reactii termonucleare

Fuziunea nucleara, adica fuziunea nucleelor usoare pentru a forma nuclee grele, este insotita, ca si fisiunea, de o mare eliberare de energie. Deoarece pentru realizarea fuziunii este necesara o temperatura foarte mare, acest proces este numit reactie termonucleara.

Pentru a depasi bariera coulombiana de repulsie, nucleele trebuie sa aiba o energie de:

,

unde la numitor avem raza de actiune a fortelor nucleare, de ordinul a 2 Fm. Pentru doua nuclee de hidrogen, Z=1, E = 0.7 MeV. Fiecare nucleu trebuie sa aiba o energie de 0.35 MeV, care corespunde unei temperaturi de 2 miliarde de K pentru ca energia miscarii termice a gazului de atomi de hidrogen sa fie de 0.35 MeV. Totusi fuziunea nucleelor usoare poate avea loc si la temperaturi mai mici, deoarece in distributia de viteze a atomilor exista atomi cu energie mai mare decat media. De asemenea fuziunea poate decurge prin efect tunel la energii mult mai mici. Astfel, reactii de fuziune pot avea loc cu o intensitate considerabila si la 10 milioane de K.

Sunt favorizati sa fuzioneze deuteriul si tritiul deoarece reactia dintre ei are un caracter rezonant. Aceste substante formeaza incarcatura bombei termonucleare zisa si bomba cu hidrogen (prima explozie termonucleara a avut loc in 1953 in URSS). Initierea sau aprinderea unei astfel de bombe este realizata de o bomba atomica prin explozia careia se realizeaza o temperatura de 10⁷ K. Reactia de fuziune intre deuteriu si tritiu:

₁H² + ₁H³ ₂He⁴ + ₀n¹

se realizeaza cu eliberarea unei energii de 17.6 MeV, adica aproximativ 3.5 MeV per nucleon. Fisiunea unui atom de uraniu elibereaza doar 0.85 MeV/nucleon.

Este fara indoiala faptul ca fuziunea hidrogenului in heliu este sursa de energie a Soarelui si a stelelor, in interiorul carora temperaturile ating valori de 10⁷-10⁸ K. Aceasta fuziune poate decurge in doua moduri. La temperaturi mici are loc ciclul proton-proton, care decurge astfel:

p +p d + e⁺ + υ

d +p ₂He³ + γ

₂He³ + ₂He³ ₂He⁴ + p + p

La temperaturi mai ridicate se produce ciclul carbonului (sau carbon-azot), propus de fizicianul German Hans Bethe, cu o probabilitate mai mare:

₆C¹² + ₁p¹ ₇N¹³ + γ

₇N¹³ ₆C¹³ + e⁺ + υ

₁₃C¹³ +₁p¹ ₇N¹⁴ + γ

₇N¹⁴ + ₁p¹ ₈O¹⁵ + γ

₈O¹⁵ ₇N¹⁵ + e⁺ + υ

₇N¹⁵ + ₁p¹ ₆C¹² + ₂He⁴

Rezultatul ciclului carbonului este disparitia a patru protoni si formarea unui nucleu de heliu. Numarul de nuclee de carbon ramane constant, ele functioneaza ca niste catalizatori. In bomba cu hidrogen reactia termonucleara are un caracter necontrolat. Pentru a realiza reactii termonucleare controlate trebuie sa stabilim si sa mentinem o temperature de ordinul 10⁸ K intr-un anumit volum. La aceasta temperatura substanta devine o plasma complet ionizata. Apar dificultati enorme pentru mentinerea plasmei intr-un volum dat, deoarece contactul acesteia cu peretii ar produce o racire a ei. Controlul asupra extinderii spatiale a plasmei se realizeaza cu ajutorul unor campuri magnetice. Desi s-au facut progrese notabile, fuziunea termonucleara controlata este, inca, o speranta.