Termoyadro reaksiyalari

Termoyadro reaksiyalari – juda yuqori temperaturalarda yengil atom yadrolarining oʻzaro birikish jarayoni. Vodorodning 2 izotopi N2 (deyteriy) va N3 (tritiy) 1 kg aralashmasining oʻzaro birikish reaksiyasi. N2!,H3^2He4Qn’Q17,5 MeV natijasida 801012 kal issiqlik ajralib chiqadi. Bu 1 kg uran U235 yadrosining boʻlinishida ajralib chiqaadigan energiyadan 4 marta yoki 10 mln. kg kumir beradigan issiklik miqdoriga tengdir.

Reaksiyaga kirishuvchi yadrolar birbiriga YU15 m masofaga yaqinlashganda ular orasida yadro kuchlari tufayli oʻzaro taʼsir yuzaga keladi. Yadrolarning bunday yaqin kelishiga ular orasida itarish kuchlari toʻsqinlik qiladi. Bu qarshilikni yengish uchun yadrolar taxminan bir necha yuz mln. gradus temperaturaga moye katta tezlik bilan harakatlanishi kerak. Faqat ayrim Termoyadro reaksiyalari natijasida yengil atom yadrosi boʻlinib bir necha yadrolarni hosil qilishi va juda koʻp miqdorda energiya ajralib chiqishi mumkin.

Termoyadro reaksiyalari natijasida asosan, yadrolarning qoʻshilib bitta kattaroq yadroning hosil boʻlishi kuzatiladi. Yengil yadrolar ancha past temperaturalarda ham qoʻshilishi mumkin. Chunki zarralarning tezliklar boʻyicha taqsimoti tasodifiy boʻlgani tufayli, energiyasi oʻrta qiymatdan ortiq boʻlgan biror miqdor yadrolar gʻar doim boʻladi. Bundan tashqari, yadrolar tunnel effekt natijasida ham qoʻshilishi mumkin, bu hol juda muhimdir. Chunki tunnel effekt va boshqa kvant temperatura meʼyorini ancha kamaytiradi. Shu sababli, baʼzi Termoyadro reaksiyalari 107K tartibdagi temperaturalardayoq yetarlicha intensiv ravishda yuz beradi.

Ayniqsa, deyteriy va tritiy yadrolari sintezi uchun sharoit yaratish qulay, chunki ular orasidagi reaksiya rezonans xarakterga ega (N2 va,N3 yadrolarining birikishi uchun 7G+2O1O6K yetarli). Ana shu moddalar vodorod bombasi (yaʼni termoyadro bombasi) zaryadini tashkil qiladi. Bunday Termoyadro reaksiyalarini amalga oshirish uchun kerak boʻladigan temperaturani kuchli lazerlar bilan plazmani bir vaqtda nurlantirish yoki atom parchalanishi reaksiyasi natijasida hosil boʻlishi mumkin.

Atomvodorod bombasining portlashi jarayonida ajralib chiqqan issiqlik miqsori 50 mln. t trotil quvvatidan yuqoridir. Ammo vodorod bombasidagi portlash 1 mikrosekunddan kam vaqt davom etadi va undagi Termoyadro reaksiyalarini boshqarish murakkab muammodir. Termoyadro reaksiyalari borishini juda kichik vaqt davomida boshqarish termoyadro reaktorlari yordamida amalga oshiriladi. "Ogra", "Alfa", "Tokamak" (Sobiq SSSR), "Zeta", "Skeptr" (Angliya), "Kolumbus", "Stellyator" (AQSH) termoyadro reaktorlarining vakillaridir. Reaktor Termoyadro reaksiyalari beruvchi yoqilgʻi gazi bilan yuqori bosimlar ostida toʻldirilib, elektr razryadi yoki lazer nuri yordamida yoqilgʻi plazmasi hosil qilinadi. Plazma temperaturasini meʼyor darajasigacha koʻtarish, uni ushlash va boshqarish Termoyadro reaksiyalari hosil boʻlishda muhimdir. "Tokamak" reaktorida plazmani 70 mln. K gacha qizdirish amalga oshirildi. Bu Termoyadro reaksiyalarini boshkarish mumkinligini isbotladi.

Boshqariladigan termoyadro reaksiyalarini amalga oshirish uchun biror hajmda 108K tartibli temperatura gʻosil qilish va uni shu darajada sakGʻtb turish zarur. Bunday temperaturada har qanday moddadan idish devorlari bugʻlanib ketadi. Termoyadro reaksiyalarini hosil qilish uchun kameradagi plazmaning temperaturasi va katta zichligini maʼlum vaqt saqlash bilan birga plazmaning kamera ichki devoriga taʼsirini keskin kamaytirish muammosi mavjud. Shu sababli, reaksiya kamerasi kuchli magnit maydoni taʼsirida boʻladi va bu maydon plazmani kamera markaziga siqib boraveradi. Boshkariladigan termoyadro sintezini amalga oshirish insoniyatga bitmastugalmas energiya manbaini bergan boʻlar edi. Shuning uchun, boshkariladigan Termoyadro reaksiyalarini amalga oshirish borasida koʻp mamlakatlarda ishlar olib borilmoqda.

Fc. Arsimovich L.A., Upravlyayemie termoyadernie reaksii, M., 1963; Lukyanov S.Yu., Goryachaya plazma i upravlyayemiy lazerniy sintez, M, 1975. 

Termoyadroviy reaksiyalar

Nafaqat og‘ir yadrolaming bo‘linish tufayligina emas, balki juda yengil yadrolami biriktirish (yadrolar sintezi) usuli bilan ham yadroviy energiyadan foydalanish mumkin, degan fikrga kelamiz. Masalan, deyteriy va tritiyning sintezida a-zarra va neytron hosil bo’ladi, ya’ni

2 1H +3 1H -> ⁴ 2He + n

Mazkur reaksiyaning energiyasini esa quyidagi ifoda orqali

hisoblaylik:

Q = (mH2 + mH3) – (mHe4 + m0) s2~ 17,6 MeV

Demak, reaksiya ekzotermik va unda qatnashayotgan har bir nuklonga to‘g‘ri keluvchi energiya ~ 3,5 MeV ga teng. Taqqoslash maqsadida U238 ning boMinishida ajraladigan energiyaning bitta nuklonga mos keluvchi ulushi ~ 0,85 MeV ligini eslaylik.

Yadrolar sintezi amalga oshishi uchun ular bir-biri bilan

yadroviy kuchlaming ta’siri seziladigan masofa (r ~ 10-15 m) gacha

yaqinlashishi kerak. Lekin yadrolaming bu darajada yaqinlashishiga

kulon itarishish kuchlari tufayli ular orasida vujudga keladigan potentsial to‘siq qarshilik ko‘rsatadi. Bu to‘siqni yengish uchun H2 va H3 ning sintez reaksiyasida yadrolar energiyaga ega bo‘lishi kerak. Demak, to‘qnashayotgan yadrolarning har birini kinetik energiyasi ~ 0,35 MeV bo'lsa, yadroviy sintez reaksiyasi amalga oshadi. U holda yadrolar sintezi issiqlik harakatning energiyasi (ya’ni 3kT/'2) tufayli sodir bo’lishi uchun yadrolami qanday temperaturagacha qizdirish lozim? Degan savolga javob topaylik. Hisoblardan ko‘rinishicha bu temperature 2*109 K bo’lishi kerak. Mazkur temperaturani amalda hosil qilib bo‘lmaydi. Lekin bunchalik yuqori temperaturaga hojat ham bo‘lmasa kerak. Bu fikr quyidagi ikki sababga asoslanadi: 

1) ixtiyoriy T temperaturadagi gaz molekulalari tezliklarining qiymati Maksvell taqsimotiga bo‘ysunadi. Shu sababli Maksvell taqsimotini xarakterlovchi grafikning “dumi” ga mos keluvchi tezliklar bilan xarakterlanadigan yadrolar issiqlik harakat

energiyasining qiymatlari 3kT/'2 dan ancha katta bo‘ladi;

2) tunnel effekt tufayli yadrolar birikishi uchun lozim bo‘ladigan kinetik energiyaning qiymati kulon tolsig‘i balandligidan kichik ham bo‘lishi mumkin. Shuning uchun H2 va H3 yadrolarining ~ 107 K temperaturada ham yetarlicha intensiv birikishi kuzatiladi.

Yadrolar sintezi yuqori temperaturalarda sodir bo ‘Iganligi uchun

uni termoyadroviy reaksiya deb ham ataladi. Bu qadar yuqori temperatura yulduzlarda jumladan, quyoshda mavjud. Quyosh nurlanishining spektrini o‘rganish asosida yulduzlar tarkibi, asosan vodorod va geliydan hamda ozgina miqdordagi

(~ 1 % cha) uglerod azot va kisloroddan iborat, degan xulosaga kelingan. Quyosh

energiyasi uning tarkibidagi yadrolarning sintezi, ya’ni

termoyadroviy reaksiyalar tufayli ajraladi. Bu reaksiyalarning variantlaridan biri proton proton (pp) siklidir. Mazkur sikldagi birinchi reaksiyada ikki proton birikib, deytonni hosil qiladi:

1H + 1H ->2H + e+-v .

Ikkinchi bosqichda

2H + 1H -> у + 3He

reaksiya amalga oshadi. Shundan so‘ng

3He + 3He - 4He + 2 1H

reaksiyada geliy yadrosi va ikki proton hosil bo‘ladi. Bundan tashqari Bete tomonidan taklif etilgan uglerod sikli amalga oshishi mumkin. Mazkur sikl quyidagi to‘rt bosqichda o‘tadi:

12C + 1H —≫y + 13N  —≫b+13C + e++ v,

13C + 1H  —≫y + 14N,

14N+'H —≫у+15O  —≫b+ —≫15 N+ e+ + v

15N+1H —≫12C+4He.

Bu siklda ham geliy yadrosi hosil bo‘ladi. Bundan tashqari siklning birinchi bosqichidagi C12 yadrosi ham vujudga keladi. U yana yangi siklni boshlaydi. Boshqacha aytganda, С12 yadrosi uglerod siklida ‘"yadroviy katalizator” vazifasini o‘taydi. Shuni ham qayd qilmoq lozimki, uglerod sikli pp-siklga nisbatan yuqoriroq

temperaturalarda o‘tadi. Zamonaviy tasawurlarga asosan, quyosh energiyasining manbai asosan pp-sikldir.