Номер 3, страница 184, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 11. Квантовые явления. Параграф 106. Деление и синтез ядер. Вопросы и задания - номер 3, страница 184.

Условие.

3. Какие элементы могут служить топливом для термоядерных реакций?

Решение.

Топливом для термоядерных реакций служат ядра лёгких химических элементов. Основной принцип термоядерного синтеза — слияние более лёгких атомных ядер в более тяжёлые с выделением огромного количества энергии. Этот процесс противоположен процессу ядерного деления, где тяжёлые ядра расщепляются.

Наиболее перспективными и изученными видами топлива для управляемого термоядерного синтеза на Земле являются изотопы водорода:

Дейтерий ($^2_1\text{H}$ или D) — это стабильный изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Он в достаточном количестве содержится в обычной воде (примерно 1 атом дейтерия на 6420 атомов водорода), что делает его практически неисчерпаемым источником топлива.

Тритий ($^3_1\text{H}$ или T) — это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада около 12.3 лет. Его ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. В природе тритий встречается в крайне малых количествах, поэтому для промышленных термоядерных реакторов его планируется производить непосредственно в реакторе из лития, облучая литий нейтронами, которые образуются в ходе самой реакции синтеза.

Самой легко осуществимой является реакция синтеза между дейтерием и тритием (D-T реакция), так как она требует наименьших температур (порядка 100–150 миллионов градусов Цельсия) и имеет наибольшее сечение (вероятность) взаимодействия:

$^2_1\text{D} + ^3_1\text{T} \rightarrow ^4_2\text{He} + ^1_0\text{n} + 17.6 \text{ МэВ}$

В этой реакции ядро дейтерия сливается с ядром трития, образуя ядро гелия-4 (альфа-частицу) и один высокоэнергетический нейтрон. Выделяющаяся энергия (17.6 МэВ) уносится продуктами реакции.

Рассматриваются и другие термоядерные реакции, которые могут стать основой для реакторов будущих поколений.

Дейтерий-дейтериевые реакции (D-D):

$^2_1\text{D} + ^2_1\text{D} \rightarrow ^3_1\text{T} + ^1_1\text{p} + 4.03 \text{ МэВ}$

$^2_1\text{D} + ^2_1\text{D} \rightarrow ^3_2\text{He} + ^1_0\text{n} + 3.27 \text{ МэВ}$

Эти реакции требуют более высоких температур, чем D-T реакция, но используют только дейтерий, который легко доступен.

Дейтерий-гелиевая реакция (D-$^3$He):

$^2_1\text{D} + ^3_2\text{He} \rightarrow ^4_2\text{He} + ^1_1\text{p} + 18.3 \text{ МэВ}$

Эта реакция привлекательна тем, что она "безнейтронная" (продукты реакции — заряженные частицы, а не нейтроны), что значительно снижает радиоактивную наводку конструкционных материалов реактора. Однако она требует ещё более высоких температур, а гелий-3 ($^3\text{He}$) — чрезвычайно редкий изотоп на Земле.

Другие лёгкие элементы:

В более отдалённой перспективе рассматриваются реакции с участием лития, бериллия и бора. Например, реакция протон-бор:

$^1_1\text{p} + ^{11}_5\text{B} \rightarrow 3(^4_2\text{He}) + 8.7 \text{ МэВ}$

Таким образом, основными кандидатами на роль термоядерного топлива являются лёгкие элементы, в первую очередь изотопы водорода.

Ответ: Топливом для термоядерных реакций служат лёгкие химические элементы, прежде всего изотопы водорода — дейтерий ($^2_1\text{H}$) и тритий ($^3_1\text{H}$). Также в перспективе могут использоваться гелий-3 ($^3_2\text{He}$), литий ($^6_3\text{Li}$) и бор ($^{11}_5\text{B}$).