تحدث تفاعلات انشطارية للنوى الذرية. ملخص الدرس "انشطار نواة اليورانيوم

الانشطار النوويهي عملية يتم فيها تكوين نواة مجزأة (أحيانًا 3) من نواة ذرية واحدة متشابهة في الكتلة.

هذه العملية مفيدة للجميع β - نوى مستقرة ذات عدد كتلي A > 100.

انشطار اليورانيوم النوويتم اكتشافه في عام 1939 من قبل هان وستراسمان، اللذين أثبتا بشكل لا لبس فيه أنه عندما تقصف النيوترونات نواة اليورانيوم شتتشكل النوى المشعة بكتلة وشحنات أقل بحوالي مرتين من كتلة وشحنة نواة اليورانيوم. في نفس العام، قدم L. Meitner وO. Frischer المصطلح " الانشطار النووي"وقد لوحظ أن هذه العملية تطلق طاقة هائلة، واكتشف ف. جوليو كوري وإي. فيرمي في نفس الوقت أن عدة نيوترونات تنبعث أثناء الانشطار (النيوترونات الانشطارية). وأصبح هذا هو الأساس لطرح الفكرة التفاعل المتسلسل الانشطاري ذاتي الاستدامةواستخدام الانشطار النووي كمصدر للطاقة. أساس الحديث الطاقة النوويةهو الانشطار النووي 235 شو 239 بوتحت تأثير النيوترونات.

يمكن أن يحدث الانشطار النووي بسبب وجود الكتلة الباقية للنواة الثقيلة كمية أكبرالكتل الباقية من الشظايا التي تنشأ أثناء الانشطار.

يوضح الرسم البياني أن هذه العملية مفيدة نقطة الطاقةرؤية.

يمكن تفسير آلية الانشطار النووي على أساس نموذج القطرة، الذي بموجبه تشبه مجموعة من النيوكليونات قطرة سائل مشحون. يتم الحفاظ على النواة من التفكك القوات النوويةالتجاذب أكبر من قوى التنافر كولوم التي تعمل بين البروتونات وتميل إلى تمزيق النواة.

جوهر 235 شلديه شكل الكرة. بعد امتصاص النيوترون، يتم تحفيزه وتشويهه، ويكتسب شكلًا ممدودًا (في الشكل ب) ، ويمتد حتى تصبح قوى التنافر بين نصفي النواة الممدودة أكبر من قوى الجذب المؤثرة في البرزخ (في الشكل الخامس). بعد ذلك، تنقسم النواة إلى قسمين (في الشكل ز). شظايا تحت التأثير قوات كولومبتطير عمليات التنافر بسرعة تساوي 1/30 من سرعة الضوء.

انبعاث النيوترونات أثناء الانشطاروالذي تحدثنا عنه أعلاه، يفسره أن العدد النسبي للنيوترونات (نسبة إلى عدد البروتونات) في النواة يزداد مع زيادة العدد الذري، وبالنسبة للشظايا المتكونة أثناء الانشطار فإن عدد النيوترونات يصبح أكبر من من الممكن أن تكون نوى الذرات ذات الأعداد الأصغر.

يحدث الانقسام غالبًا إلى أجزاء ذات كتلة غير متساوية. هذه الشظايا مشعة. بعد المسلسل β - الاضمحلال ينتج في النهاية أيونات مستقرة.

يستثني قسرييحدث ذلك الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم، الذي افتتح عام 1940 الفيزيائيون السوفييت G. N. Flerov و K. A. Petrzhak. عمر النصف للانشطار التلقائي يعادل 10 16 سنة، وهو أكبر بمليوني مرة من نصف عمر الانشطار التلقائي. α - اضمحلال اليورانيوم.

يحدث تخليق النوى في التفاعلات النووية الحرارية. التفاعلات النووية الحرارية هو رد فعل اندماج النوى الخفيفة في غاية درجة حرارة عالية. الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء الاندماج (التوليف) ستكون الحد الأقصى أثناء تركيب العناصر الخفيفة التي لديها أقل طاقة ربط. عندما تتحد نواتان خفيفتان، مثل الديوتيريوم والتريتيوم، تتشكل نواة هيليوم أثقل ذات طاقة ربط أعلى:

من خلال عملية الاندماج النووي هذه، يتم إطلاق طاقة كبيرة (17.6 ميجا إلكترون فولت)، تساوي الفرق في طاقات الارتباط بين نواة ثقيلة ونواتين خفيفتين. . ويكتسب النيوترون الناتج أثناء التفاعلات 70% من هذه الطاقة. مقارنة الطاقة لكل نيوكليون في التفاعلات الانشطار النووي(0.9 ميغا إلكترون فولت) والانصهار (17.6 ميغا إلكترون فولت)، يوضحان أن تفاعل الاندماج للنوى الخفيفة أكثر طاقةً من تفاعل الانشطار للنوى الثقيلة.

يحدث اندماج النوى تحت تأثير قوى الجذب النووية، لذا يجب أن تقترب من مسافات أقل من 10 -14 التي تؤثر فيها القوى النووية. يتم منع هذا النهج من خلال تنافر كولوم للنوى المشحونة إيجابيا. ولا يمكن التغلب عليها إلا بسبب الطاقة الحركية العالية للنواة، والتي تتجاوز طاقة تنافر كولومب. ومن الحسابات المقابلة يتضح ذلك الطاقة الحركيةيمكن تحقيق النوى اللازمة لتفاعل الاندماج عند درجات حرارة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات، ولهذا السبب تسمى هذه التفاعلات نووي حراري.

الاندماج النووي الحراري- تفاعل يتم فيه، عند درجات حرارة عالية أعلى من 107 كلفن، تصنيع نوى أثقل من نوى خفيفة.

الاندماج النووي الحراري هو مصدر الطاقة لجميع النجوم، بما في ذلك الشمس.

العملية الرئيسية التي يتم من خلالها إطلاق الطاقة النووية الحرارية في النجوم هي تحويل الهيدروجين إلى هيليوم. وبسبب الخلل الكتلي في هذا التفاعل، تنخفض كتلة الشمس بمقدار 4 ملايين طن كل ثانية.

زيادة الطاقة الحركية اللازمة ل الاندماج النووي الحراريويتم الحصول على نواة الهيدروجين نتيجة قوية جاذبية الجاذبيةإلى وسط النجم. وبعد ذلك، يؤدي اندماج نوى الهيليوم إلى إنتاج عناصر أثقل.

تلعب التفاعلات النووية الحرارية دورًا رئيسيًا في التطور التركيب الكيميائيالمواد الموجودة في الكون. وتحدث كل هذه التفاعلات مع إطلاق الطاقة التي تنبعث من النجوم على شكل ضوء على مدى مليارات السنين.

إن تنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة من شأنه أن يوفر للإنسانية مصدرًا جديدًا للطاقة لا ينضب عمليًا. يمكن الوصول بسهولة إلى كل من الديوتيريوم والتريتيوم اللازمين لتنفيذه. الأول موجود في مياه البحار والمحيطات (بكميات تكفي للاستعمال لمليون سنة)، والثاني يمكن الحصول عليه في مفاعل نوويعند تشعيع الليثيوم السائل (الذي تكون احتياطياته ضخمة) بالنيوترونات:

أحد أهم مزايا الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه هو الغياب النفايات المشعةأثناء تنفيذه (على عكس التفاعلات الانشطارية لنواة اليورانيوم الثقيلة).

تتمثل العقبة الرئيسية أمام تنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة في استحالة حصر البلازما عالية الحرارة باستخدام مجالات مغناطيسية قوية تبلغ 0.1-1. ومع ذلك، هناك ثقة بأنه سيتم إنشاء مفاعلات نووية حرارية عاجلاً أم آجلاً.

حتى الآن لم يكن من الممكن إلا أن تنتج رد فعل لا يمكن السيطرة عليهتركيب نوع متفجر في قنبلة هيدروجينية.

تفاعلات الانشطار النووي- تفاعلات الانشطار، والتي تتمثل في حقيقة أن النواة الثقيلة، تحت تأثير النيوترونات، وكما اتضح فيما بعد، تنقسم الجزيئات الأخرى إلى عدة نوى أخف (شظايا)، في أغلب الأحيان إلى نواتين لهما كتلة مماثلة.

من مميزات الانشطار النووي أنه يصاحبه انبعاث نيوترونين أو ثلاثة نيوترونات ثانوية تسمى النيوترونات الانشطارية.وبما أن عدد النيوترونات في النوى المتوسطة يساوي تقريبًا عدد البروتونات ( ن/ز ≈ 1)، وبالنسبة للنوى الثقيلة فإن عدد النيوترونات يتجاوز بشكل كبير عدد البروتونات ( ن/ز ≈ 1.6)، ثم يتم تحميل شظايا الانشطار الناتجة بالنيوترونات، ونتيجة لذلك تطلق نيوترونات انشطارية. ومع ذلك، فإن انبعاث النيوترونات الانشطارية لا يزيل تمامًا الحمل الزائد لنوى الشظايا بالنيوترونات. وهذا يتسبب في أن تصبح الأجزاء مشعة. يمكن أن تخضع لسلسلة من التحولات β، مصحوبة بانبعاث الكمات γ. نظرًا لأن β - -decay مصحوب بتحول النيوترون إلى بروتون ، فبعد سلسلة من التحولات β - - ستصل النسبة بين النيوترونات والبروتونات في القطعة إلى قيمة تقابل نظيرًا مستقرًا. على سبيل المثال، أثناء انشطار نواة اليورانيوم U

ش+ ن →اكس + ريال +2 ن(265.1)

جزء الانشطار Xe، نتيجة لثلاثة أعمال من β - الاضمحلال، يتحول إلى النظائر المستقرةلانتانا لا:

هيه → خدمات العملاء → با → لا.

يمكن أن تكون شظايا الانشطار متنوعة، لذا فإن التفاعل (265.1) ليس هو التفاعل الوحيد الذي يؤدي إلى انشطار U.

تنبعث معظم النيوترونات الانشطارية على الفور تقريبًا ( ر≥ 10 –14 ثانية)، وينبعث جزء (حوالي 0.7%) من شظايا الانشطار في وقت ما بعد الانشطار (0.05 ثانية ≥ ر≥ 60 ثانية). أولهم يسمى فوري،ثانية - متخلفة.في المتوسط، ينتج عن كل حدث انشطاري 2.5 نيوترون. لديهم طيف طاقة واسع نسبيًا يتراوح من 0 إلى 7 ميجا إلكترون فولت، مع متوسط ​​طاقة يبلغ حوالي 2 ميجا إلكترون فولت لكل نيوترون.

تظهر الحسابات أن الانشطار النووي يجب أن يكون مصحوبًا أيضًا بالإفراج كمية كبيرةطاقة. في الواقع، طاقة الربط المحددة للنواة معدل الوزنتبلغ حوالي 8.7 ميجا إلكترون فولت، بينما في النوى الثقيلة تساوي 7.6 ميجا إلكترون فولت. وبالتالي، عندما تنقسم نواة ثقيلة إلى جزأين، يجب إطلاق طاقة تساوي حوالي 1.1 ميغا إلكترون فولت لكل نيوكليون.

أساس نظرية الانشطار النوى الذرية(N. Bor, Ya. I. Frenkel) بناءً على النموذج السقوطى للنواة. تعتبر النواة بمثابة قطرة من سائل مشحون كهربائيا وغير قابل للانضغاط (كثافته مساوية للكثافة النووية ويخضع للقوانين ميكانيكا الكم) ، والتي تدخل فيها جزيئاتها عندما يضرب النيوترون النواة حركة متذبذبةونتيجة لذلك، ينقسم القلب إلى قسمين، ويطير بعيدًا بطاقة هائلة.

يتم تحديد احتمال الانشطار النووي من خلال طاقة النيوترونات. على سبيل المثال، إذا تسببت النيوترونات عالية الطاقة في انشطار جميع النوى تقريبًا، فإن النيوترونات التي تبلغ طاقتها عدة ميغا إلكترون فولت تسبب انشطار النوى الثقيلة فقط ( أ> 210)، وجود النيوترونات طاقة التفعيل(الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتنفيذ تفاعل الانشطار النووي) من ترتيب 1 MeV، يسبب انشطار نواة اليورانيوم U، الثوريوم Th، البروتكتينيوم Pa، البلوتونيوم Pu. تعمل النيوترونات الحرارية على انشطار نوى U وPu وU وTh (لا يوجد النظيران الأخيران في الطبيعة، بل يتم الحصول عليهما بشكل مصطنع).

يمكن للنيوترونات الثانوية المنبعثة أثناء الانشطار النووي أن تسبب أحداث انشطار جديدة، مما يجعل من الممكن حدوث ذلك التفاعل المتسلسل الانشطاري- التفاعل النووي، حيث تتشكل الجزيئات المسببة للتفاعل كنواتج لهذا التفاعل. يتميز التفاعل المتسلسل الانشطاري بـ عامل الضرب كالنيوترونات التي يساوي النسبةعدد النيوترونات في جيل معين إلى عددها في الجيل السابق. شرط ضروريلتطوير التفاعل المتسلسل الانشطاري هو الشرط ك ≥ 1.

وتبين أنه ليس كل النيوترونات الثانوية المنتجة تسبب الانشطار النووي اللاحق، مما يؤدي إلى انخفاض في عامل الضرب. أولاً، بسبب الأبعاد المحدودة جوهر(المساحة التي يحدث فيها تفاعل قيم) وقدرة النيوترونات العالية على الاختراق، حيث يغادر بعضها المنطقة النشطة قبل أن تأسرها أي نواة. ثانيًا، يتم التقاط بعض النيوترونات بواسطة نوى الشوائب غير الانشطارية، والتي تكون موجودة دائمًا في النواة. بالإضافة إلى ذلك، جنبًا إلى جنب مع الانشطار، يمكن أن تحدث عمليات متنافسة من الالتقاط الإشعاعي والتشتت غير المرن.

ويعتمد معامل الضرب على طبيعة المادة الانشطارية وعلى من نظير معين- على كميته، وكذلك حجم وشكل المنطقة النشطة. تسمى الأبعاد الدنيا للمنطقة النشطة التي يمكن أن يحدث فيها تفاعل متسلسل الأحجام الحرجة.الحد الأدنى من كتلة المواد الانشطارية الموجودة في نظام ذي أبعاد حرجة مطلوب تنفيذه تفاعل تسلسلي،مُسَمًّى الكتلة الحرجة.

تختلف سرعة تطور التفاعلات المتسلسلة. يترك ت -متوسط ​​الوقت

حياة جيل واحد، و ن- عدد النيوترونات في جيل معين . في الجيل القادم عددهم متساوي كيلو نيوتن، ت. ه. زيادة عدد النيوترونات لكل جيل dN = kN – N = N(ك - 1). الزيادة في عدد النيوترونات لكل وحدة زمنية، أي معدل نمو التفاعل المتسلسل،

. (266.1)

التكامل (266.1) نحصل عليه

,

أين ن 0– عدد النيوترونات لحظة البدايةوقت و ن- عددهم في وقت واحد ر. نيتم تحديده بواسطة علامة ( ك- 1). في ك> 1 يذهب تطوير رد الفعل،يزداد عدد الانشطارات باستمرار ويمكن أن يصبح التفاعل متفجرًا. في ك=1 يذهب رد فعل ذاتي الاستدامةحيث لا يتغير عدد النيوترونات مع مرور الوقت. في ك <1 идет رد فعل يتلاشى

تشمل التفاعلات المتسلسلة التفاعلات الخاضعة للرقابة والتي لا يمكن السيطرة عليها. إن انفجار قنبلة ذرية، على سبيل المثال، هو رد فعل غير منضبط. لمنع انفجار القنبلة الذرية أثناء التخزين، يتم تقسيم U (أو Pu) إلى جزأين بعيدين عن بعضهما البعض بكتلة أقل من الحرجة. ثم، بمساعدة انفجار عادي، تقترب هذه الكتل من بعضها البعض، وتصبح الكتلة الإجمالية للمادة الانشطارية أكبر من الكتلة الحرجة ويحدث تفاعل متسلسل انفجاري، يصاحبه إطلاق فوري لكمية هائلة من الطاقة ودمار كبير . يبدأ التفاعل الانفجاري بسبب النيوترونات المتاحة من الانشطار التلقائي أو النيوترونات من الإشعاع الكوني. تحدث التفاعلات المتسلسلة الخاضعة للرقابة في المفاعلات النووية.

التفاعل النووي المتسلسل. نتيجة للتجارب على تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات، وجد أنه تحت تأثير النيوترونات، تنقسم نواة اليورانيوم إلى نواتين (شظايا) تبلغ حوالي نصف الكتلة والشحنة؛ ويصاحب هذه العملية انبعاث عدة نيوترونات (اثنين أو ثلاثة) (الشكل 402). بالإضافة إلى اليورانيوم، هناك بعض العناصر الأخرى من بين العناصر الأخيرة في الجدول الدوري لمندليف قادرة على الانشطار. هذه العناصر، مثل اليورانيوم، تنشطر ليس فقط تحت تأثير النيوترونات، ولكن أيضًا دون تأثيرات خارجية (تلقائيًا). تم تأسيس الانشطار التلقائي تجريبيًا على يد الفيزيائيين السوفييت ك. أ. بترزاك وجورجي نيكولاييفيتش فليروف (و. 1913) في عام 1940. إنها عملية نادرة جدًا. وهكذا، في 1 جرام من اليورانيوم، يحدث حوالي 20 انشطارًا تلقائيًا في الساعة فقط.

أرز. 402. انشطار نواة اليورانيوم تحت تأثير النيوترونات: أ) تلتقط النواة نيوترونًا. ب) تأثير النيوترون على النواة يؤدي إلى تذبذب الأخيرة؛ ج) ينقسم اللب إلى جزأين؛ في نفس الوقت تنبعث عدة نيوترونات أخرى

بسبب التنافر الكهروستاتيكي المتبادل، تنتشر شظايا الانشطار في اتجاهين متعاكسين، وتكتسب طاقة حركية هائلة (حوالي ). وبالتالي يحدث تفاعل الانشطار مع إطلاق كمية كبيرة من الطاقة. تعمل الشظايا سريعة الحركة على تأين ذرات الوسط بشكل مكثف. تُستخدم خاصية الشظايا هذه للكشف عن عمليات الانشطار باستخدام غرفة التأين أو غرفة السحابة. تظهر في الشكل 1 صورة لآثار شظايا الانشطار في غرفة السحابة. 403. من المهم للغاية أن النيوترونات المنبعثة أثناء انشطار نواة اليورانيوم (ما يسمى بالنيوترونات الانشطارية الثانوية) قادرة على التسبب في انشطار نواة اليورانيوم الجديدة. بفضل هذا، من الممكن إجراء تفاعل انشطاري متسلسل: بمجرد حدوثه، يمكن للتفاعل، من حيث المبدأ، أن يستمر من تلقاء نفسه، ويغطي عددًا متزايدًا من النوى. يظهر الرسم التخطيطي لتطور تفاعل السيلون المتزايد في الشكل. 404.

أرز. 403. صورة لآثار شظايا انشطار اليورانيوم في غرفة سحابية: الشظايا () تتطاير في اتجاهين متعاكسين من طبقة رقيقة من اليورانيوم المترسبة على صفيحة تسد الحجرة. تُظهر الصورة أيضًا العديد من الآثار الرقيقة التي تنتمي إلى البروتونات التي طردتها النيوترونات من جزيئات السيارة المائية الموجودة في الغرفة

إن تنفيذ التفاعل المتسلسل الانشطاري ليس بالأمر السهل؛ تظهر التجربة أنه في كتلة اليورانيوم الطبيعي لا يحدث تفاعل متسلسل. والسبب في ذلك يكمن في فقدان النيوترونات الثانوية؛ وفي اليورانيوم الطبيعي، تفلت معظم النيوترونات دون التسبب في الانشطار. كما كشفت الدراسات، يحدث فقدان النيوترونات في نظائر اليورانيوم الأكثر شيوعًا - اليورانيوم - 238 (). يمتص هذا النظير النيوترونات بسهولة عن طريق تفاعل مشابه لتفاعل الفضة مع النيوترونات (انظر الفقرة 222)؛ وهذا ينتج نظيرًا مشعًا بشكل مصطنع. ينقسم بصعوبة وفقط تحت تأثير النيوترونات السريعة.

إن النظائر الموجودة في اليورانيوم الطبيعي بكميات لها خصائص أكثر ملاءمة للتفاعل المتسلسل. وهي مقسمة تحت تأثير النيوترونات من أي طاقة - سريعة وبطيئة، وكلما انخفضت طاقة النيوترونات، كلما كان ذلك أفضل. إن العملية التي تتنافس مع الانشطار - الامتصاص البسيط للنيوترونات - غير محتملة على الإطلاق. لذلك، في اليورانيوم 235 النقي من الممكن حدوث تفاعل متسلسل انشطاري، بشرط أن تكون كتلة اليورانيوم 235 كبيرة بما يكفي. وفي اليورانيوم منخفض الكتلة، ينتهي التفاعل الانشطاري بسبب انبعاث نيوترونات ثانوية خارج المادة.

أرز. 404. تطوير تفاعل انشطاري قيم: من المقبول تقليديًا أنه عندما تنشطر النواة، ينبعث نيوترونان ولا يكون هناك فقدان للنيوترونات، أي. يسبب كل نيوترون انشطارًا جديدًا؛ الدوائر - شظايا الانشطار، السهام - النيوترونات الانشطارية

في الواقع، نظرًا لصغر حجم النوى الذرية، يسافر النيوترون مسافة كبيرة (تقاس بالسنتيمتر) عبر المادة قبل أن يصطدم بالنواة عن طريق الخطأ. إذا كان حجم الجسم صغيرا، فإن احتمال الاصطدام في الطريق إلى الخروج صغير. تنبعث جميع نيوترونات الانشطار الثانوية تقريبًا عبر سطح الجسم دون التسبب في انشطارات جديدة، أي دون استمرار التفاعل.

من جسم كبير، تطير النيوترونات بشكل رئيسي في الطبقة السطحية. تحتوي النيوترونات المتكونة داخل الجسم على سماكة كافية من اليورانيوم أمامها، وتسبب في معظمها انشطارات جديدة، مما يؤدي إلى استمرار التفاعل (الشكل 405). كلما زادت كتلة اليورانيوم، قلت نسبة حجمه في الطبقة السطحية، التي يُفقد منها العديد من النيوترونات، وكلما كانت الظروف مواتية لتطوير التفاعل المتسلسل.

أرز. 405. تطوير التفاعل المتسلسل الانشطاري في. أ) عند الكتلة المنخفضة، تطير معظم النيوترونات الانشطارية. ب) في كتلة كبيرة من اليورانيوم، تتسبب العديد من النيوترونات الانشطارية في انشطار نوى جديدة؛ ويزداد عدد الأقسام من جيل إلى جيل. الدوائر - شظايا الانشطار، السهام - النيوترونات الانشطارية

ومن خلال زيادة الكمية تدريجيًا، سنصل إلى كتلة حرجة، أي أصغر كتلة، يبدأ منها تفاعل متسلسل غير مخمد للانشطار. مع زيادة أخرى في الكتلة، سيبدأ التفاعل في التطور بسرعة (سيبدأ بانشطارات تلقائية). عندما تقل الكتلة عن القيمة الحرجة، يموت التفاعل.

لذلك، يمكن إجراء تفاعل متسلسل انشطاري. إذا كان لديك كمية كافية من النظيفة، فصل عنها.

وكما رأينا في الفقرة 202، فإن فصل النظائر، على الرغم من تعقيده ومكلفته، لا يزال عملية ممكنة. في الواقع، كان الاستخراج من اليورانيوم الطبيعي إحدى الطرق التي تم بها تطبيق التفاعل المتسلسل الانشطاري.

وإلى جانب ذلك، تم تحقيق التفاعل المتسلسل بطريقة أخرى لا تتطلب فصل نظائر اليورانيوم. هذه الطريقة أكثر تعقيدًا إلى حد ما من حيث المبدأ، ولكنها أسهل في التنفيذ. ويستخدم تباطؤ النيوترونات الانشطارية الثانوية السريعة إلى سرعات الحركة الحرارية. لقد رأينا أنه في اليورانيوم الطبيعي يتم امتصاص النيوترونات الثانوية المباشرة بشكل رئيسي بواسطة النظير. وبما أن الامتصاص لا يؤدي إلى الانشطار، فإن التفاعل ينتهي. وكما تظهر القياسات، عندما يتم إبطاء النيوترونات إلى سرعات حرارية، فإن قدرة الامتصاص تزيد أكثر من قدرة الامتصاص. إن امتصاص النظائر للنيوترونات، مما يؤدي إلى الانشطار، له الأسبقية. ولذلك، إذا تم إبطاء النيوترونات الانشطارية، ومنع امتصاصها، فسيصبح التفاعل المتسلسل ممكنًا مع اليورانيوم الطبيعي.

أرز. 406. نظام من اليورانيوم الطبيعي ووسيط يمكن أن يتطور فيه تفاعل متسلسل انشطاري

ومن الناحية العملية، يتم تحقيق هذه النتيجة عن طريق وضع قضبان ساخنة من اليورانيوم الطبيعي على شكل شبكة نادرة في الوسيط (الشكل 406). تُستخدم المواد ذات الكتلة الذرية المنخفضة والتي تمتص النيوترونات بشكل ضعيف كمهدئات. المشرفون الجيدون هم الجرافيت والماء الثقيل والبريليوم.

دع انشطار نواة اليورانيوم يحدث في أحد القضبان. نظرًا لأن القضيب رفيع نسبيًا، فإن جميع النيوترونات الثانوية السريعة تقريبًا سوف تهرب إلى الوسيط. توجد القضبان بشكل متناثر جدًا في الشبكة. يتعرض النيوترون المنبعث، قبل اصطدامه بالقضيب الجديد، للعديد من الاصطدامات مع النوى المعتدلة ويتباطأ إلى سرعة الحركة الحرارية (الشكل 407). وبعد اصطدامه بقضيب اليورانيوم، من المرجح أن يتم امتصاص النيوترون ويسبب انشطارًا جديدًا، وبالتالي استمرار التفاعل. تم تنفيذ التفاعل المتسلسل الانشطاري لأول مرة في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 1942. مجموعة من العلماء بقيادة الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي (1901-1954) في نظام يستخدم اليورانيوم الطبيعي. تم تنفيذ هذه العملية بشكل مستقل في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في عام 1946. الأكاديمي إيغور فاسيليفيتش كورشاتوف (1903-1960) وموظفيه.

أرز. 407. تطوير تفاعل انشطاري قيم في نظام اليورانيوم الطبيعي والمهدئ. ويدخل نيوترون سريع، يهرب من قضيب رفيع، إلى الوسيط ويتباطأ. بمجرد العودة إلى اليورانيوم، من المرجح أن يتم امتصاص النيوترون المتباطئ، مما يسبب الانشطار (الرمز: دائرتان أبيضتان). تُمتص بعض النيوترونات دون التسبب في انشطار (الرمز: الدائرة السوداء)

تم اكتشاف انشطار نواة اليورانيوم عند قصفها بالنيوترونات في عام 1939 من قبل العلماء الألمان أوتو هان وفريتز ستراسمان.

أوتو هان (1879-1968)
عالم فيزياء ألماني، عالم رائد في مجال الكيمياء الإشعاعية. اكتشف انشطار اليورانيوم وعدد من العناصر المشعة

فريتز ستراسمان (1902-1980)
فيزيائي وكيميائي ألماني. تتعلق الأعمال بالكيمياء النووية والانشطار النووي. أعطى دليلا كيميائيا على عملية الانشطار

دعونا نفكر في آلية هذه الظاهرة. يُظهر الشكل 162أ بشكل تقليدي نواة ذرة اليورانيوم. بعد أن امتصت نيوترونًا إضافيًا، أصبحت النواة متحمسة ومشوهة، واكتسبت شكلًا ممدودًا (الشكل 162، ب).

أرز. 162. عملية انشطار نواة اليورانيوم تحت تأثير النيوترون الداخل إليها

أنت تعلم بالفعل أن هناك نوعين من القوى العاملة في النواة: القوى التنافرية الكهروستاتيكية بين البروتونات، والتي تميل إلى تمزيق النواة، وقوى التجاذب النووي بين جميع النيوكليونات، والتي بفضلها لا تتحلل النواة. لكن القوى النووية قصيرة المدى، لذلك في النواة الممدودة لم يعد بإمكانها الاحتفاظ بأجزاء من النواة بعيدة جدًا عن بعضها البعض. تحت تأثير القوى التنافرية الكهروستاتيكية، تنقسم النواة إلى جزأين (الشكل 162، ج)، والتي تطير بعيدًا في اتجاهات مختلفة بسرعة هائلة وتنبعث منها 2-3 نيوترونات.

وتبين أن جزءًا من الطاقة الداخلية للنواة يتحول إلى طاقة حركية للشظايا والجزيئات الطائرة. تتباطأ الشظايا بسرعة في البيئة، ونتيجة لذلك تتحول طاقتها الحركية إلى طاقة داخلية للبيئة (أي إلى طاقة التفاعل والحركة الحرارية للجزيئات المكونة لها).

مع الانشطار المتزامن لعدد كبير من نوى اليورانيوم، تزيد الطاقة الداخلية للبيئة المحيطة باليورانيوم، وبالتالي تزيد درجة حرارته بشكل ملحوظ (أي ترتفع درجة حرارة البيئة).

وهكذا، فإن التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم يحدث مع إطلاق الطاقة في البيئة.

الطاقة الموجودة في نوى الذرات هائلة. على سبيل المثال، مع الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 جم من اليورانيوم، سيتم إطلاق نفس كمية الطاقة التي تم إطلاقها أثناء احتراق 2.5 طن من النفط. لتحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة كهربائية تستخدم محطات الطاقة النووية ما يسمى تفاعلات سلسلة الانشطار النووي.

دعونا نفكر في آلية التفاعل المتسلسل لانشطار نواة نظير اليورانيوم. نواة ذرة اليورانيوم (الشكل 163) نتيجة لالتقاط النيوترونات انقسمت إلى قسمين، ينبعث منها ثلاثة نيوترونات. تسبب اثنان من هذه النيوترونات في تفاعل انشطاري لنواتين أخريين، مما أدى إلى إنتاج أربعة نيوترونات. وهذه بدورها تسببت في انشطار أربع نوى، وبعد ذلك تم إنتاج تسعة نيوترونات، وما إلى ذلك.

التفاعل المتسلسل ممكن لأن انشطار كل نواة ينتج 2-3 نيوترونات، والتي يمكن أن تشارك في انشطار النوى الأخرى.

يوضح الشكل 163 رسمًا تخطيطيًا لتفاعل متسلسل يزداد فيه إجمالي عدد النيوترونات الحرة في قطعة من اليورانيوم بشكل كبير بمرور الوقت. وبناء على ذلك، فإن عدد الانشطارات النووية والطاقة المنطلقة لكل وحدة زمنية يتزايد بشكل حاد. ولذلك فإن مثل هذا التفاعل متفجر بطبيعته (يحدث في القنبلة الذرية).

أرز. 163. التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم

هناك خيار آخر ممكن، حيث يتناقص عدد النيوترونات الحرة مع مرور الوقت. في هذه الحالة، يتوقف التفاعل المتسلسل. لذلك، لا يمكن أيضًا استخدام مثل هذا التفاعل لإنتاج الكهرباء.

للأغراض السلمية، من الممكن استخدام الطاقة فقط من التفاعل المتسلسل الذي لا يتغير فيه عدد النيوترونات مع مرور الوقت.

كيف يمكننا التأكد من بقاء عدد النيوترونات ثابتًا طوال الوقت؟ لحل هذه المشكلة عليك معرفة العوامل التي تؤثر على زيادة ونقصان العدد الإجمالي للنيوترونات الحرة في قطعة اليورانيوم التي يحدث فيها التفاعل المتسلسل.

أحد هذه العوامل هو كتلة اليورانيوم. والحقيقة هي أنه ليس كل نيوترون ينبعث أثناء الانشطار النووي يسبب انشطار نوى أخرى (انظر الشكل 163). إذا كانت الكتلة (وبالتالي الأبعاد) لقطعة من اليورانيوم صغيرة جدًا، فسوف تطير منها العديد من النيوترونات، دون أن يكون لديها وقت للقاء النواة في طريقها، مما يتسبب في انشطارها وبالتالي توليد جيل جديد من اليورانيوم. النيوترونات اللازمة لمواصلة التفاعل. في هذه الحالة، سوف يتوقف التفاعل المتسلسل. لكي يستمر التفاعل من الضروري زيادة كتلة اليورانيوم إلى قيمة معينة تسمى شديد الأهمية.

لماذا يصبح التفاعل المتسلسل ممكنا مع زيادة الكتلة؟ وكلما زادت كتلة القطعة، زادت أبعادها، وزاد طول المسار الذي تسلكه النيوترونات فيها. وفي هذه الحالة، يزداد احتمال التقاء النيوترونات بالنوى. وبناء على ذلك، يزداد عدد الانشطارات النووية وعدد النيوترونات المنبعثة.

عند الكتلة الحرجة لليورانيوم، يصبح عدد النيوترونات المنتجة أثناء الانشطار النووي مساويًا لعدد النيوترونات المفقودة (أي التي تلتقطها النوى دون انشطار وتنبعث خارج القطعة).

ولذلك فإن العدد الإجمالي لهم يبقى دون تغيير. في هذه الحالة، يمكن أن يستمر التفاعل المتسلسل لفترة طويلة، دون توقف ودون أن يصبح متفجرًا.

• تسمى أصغر كتلة من اليورانيوم يمكن أن يحدث فيها تفاعل متسلسل بالكتلة الحرجة

إذا كانت كتلة اليورانيوم أكبر من الكتلة الحرجة، فنتيجة للزيادة الحادة في عدد النيوترونات الحرة يؤدي التفاعل المتسلسل إلى انفجار، وإذا كانت أقل من الكتلة الحرجة فإن التفاعل لا يحدث المضي قدمًا بسبب نقص النيوترونات الحرة.

يمكن تقليل فقدان النيوترونات (التي تنطلق من اليورانيوم دون التفاعل مع النوى) ليس فقط عن طريق زيادة كتلة اليورانيوم، ولكن أيضًا باستخدام غلاف عاكس خاص. وللقيام بذلك، يتم وضع قطعة من اليورانيوم في غلاف مصنوع من مادة تعكس النيوترونات بشكل جيد (على سبيل المثال، البريليوم). وبالانعكاس من هذه القشرة، تعود النيوترونات إلى اليورانيوم ويمكن أن تشارك في الانشطار النووي.

هناك العديد من العوامل الأخرى التي تعتمد عليها إمكانية حدوث تفاعل متسلسل. على سبيل المثال، إذا كانت قطعة اليورانيوم تحتوي على الكثير من شوائب العناصر الكيميائية الأخرى، فإنها تمتص معظم النيوترونات ويتوقف التفاعل.

ويؤثر وجود ما يسمى بالوسيط النيوتروني في اليورانيوم أيضًا على مسار التفاعل. والحقيقة هي أن نوى اليورانيوم 235 من المرجح أن تنشطر تحت تأثير النيوترونات البطيئة. وعندما تنشطر النواة، يتم إنتاج نيوترونات سريعة. إذا تم إبطاء النيوترونات السريعة، فسيتم التقاط معظمها بواسطة نوى اليورانيوم 235 مع الانشطار اللاحق لهذه النوى. يتم استخدام مواد مثل الجرافيت والماء والماء الثقيل (الذي يتضمن الديوتيريوم، وهو نظير الهيدروجين ذو العدد الكتلي 2)، وبعض المواد الأخرى كمهدئات. تعمل هذه المواد على إبطاء النيوترونات فقط، دون امتصاصها تقريبًا.

وبالتالي، فإن إمكانية حدوث التفاعل المتسلسل تتحدد من خلال كتلة اليورانيوم، وكمية الشوائب فيه، ووجود القشرة والمهدئ، وبعض العوامل الأخرى.

تبلغ الكتلة الحرجة لقطعة كروية من اليورانيوم 235 حوالي 50 كجم. علاوة على ذلك، يبلغ نصف قطره 9 سم فقط، لأن اليورانيوم ذو كثافة عالية جدًا.

وباستخدام وسيط وقذيفة عاكسة وتقليل كمية الشوائب، من الممكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم إلى 0.8 كجم.

أسئلة

1. لماذا لا يمكن أن يبدأ الانشطار النووي إلا عندما يتشوه تحت تأثير النيوترون الذي يمتصه؟
2. ما الذي يتكون نتيجة الانشطار النووي؟
3. ما هي الطاقة التي يتحول إليها جزء من الطاقة الداخلية للنواة أثناء انقسامها؟ الطاقة الحركية لشظايا نواة اليورانيوم عندما تتباطأ في البيئة؟
4. كيف يتم التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم - مع إطلاق الطاقة في البيئة أو، على العكس من ذلك، مع امتصاص الطاقة؟
5. اشرح آلية التفاعل المتسلسل باستخدام الشكل 163.
6. ما هي الكتلة الحرجة لليورانيوم؟
7. هل من الممكن أن يحدث تفاعل متسلسل إذا كانت كتلة اليورانيوم أقل من الكتلة الحرجة؛ أكثر أهمية؟ لماذا؟

التفاعلات النووية.يسمى تفاعل الجسيم مع نواة الذرة، مما يؤدي إلى تحول هذه النواة إلى نواة جديدة مع إطلاق جسيمات ثانوية أو أشعة جاما، بالتفاعل النووي.

تم إجراء أول تفاعل نووي بواسطة رذرفورد في عام 1919. واكتشف أن تصادم جسيمات ألفا مع نواة ذرات النيتروجين ينتج بروتونات سريعة الحركة. وهذا يعني أن نواة نظير النيتروجين، نتيجة اصطدامها بجسيم ألفا، تحولت إلى نواة نظير الأكسجين:

.

يمكن أن تحدث التفاعلات النووية مع إطلاق أو امتصاص الطاقة. باستخدام قانون العلاقة بين الكتلة والطاقة، يمكن تحديد مخرجات الطاقة للتفاعل النووي من خلال إيجاد الفرق في كتل الجزيئات التي تدخل التفاعل ونواتج التفاعل:

التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم.من بين التفاعلات النووية المختلفة، تعتبر التفاعلات المتسلسلة لانشطار بعض النوى الثقيلة ذات أهمية خاصة في حياة المجتمع البشري الحديث.

تم اكتشاف التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم عند قصفها بالنيوترونات في عام 1939. ونتيجة للدراسات التجريبية والنظرية التي أجراها E. Fermi، I. Joliot-Curie، O. Hahn، F. Strassmann، L. Meitner، O. فريش، ف. جوليو كوري، وجد أنه عندما يضرب نيوترون واحد نواة اليورانيوم، تنقسم النواة إلى قسمين أو ثلاثة أجزاء.

يطلق انشطار نواة يورانيوم واحدة حوالي 200 ميغا إلكترون فولت من الطاقة. تبلغ الطاقة الحركية لحركة نوى الشظايا حوالي 165 ميغا إلكترون فولت، ويتم نقل باقي الطاقة بواسطة كوانتا جاما.

وبمعرفة الطاقة المنطلقة أثناء انشطار نواة يورانيوم واحدة، يمكن حساب أن الطاقة الناتجة من انشطار جميع نوى 1 كجم من اليورانيوم تبلغ 80 ألف مليار جول. وهذا يزيد بملايين المرات عما يتم إطلاقه عند حرق 1 كجم من الفحم أو الزيت. ولذلك تم البحث عن طرق إطلاق الطاقة النووية بكميات كبيرة لاستخدامها في الأغراض العملية.

تم تقديم الاقتراح الأول حول إمكانية التفاعلات النووية المتسلسلة بواسطة F. Joliot-Curie في عام 1934. وفي عام 1939، اكتشف تجريبيًا مع H. Halban وL.Kwarski أنه أثناء انشطار نواة اليورانيوم، بالإضافة إلى شظايا نووية، 2-3 نيوترونات حرة. وفي ظل ظروف مواتية، يمكن لهذه النيوترونات أن تضرب نوى اليورانيوم الأخرى وتتسبب في انشطارها. عندما تنشطر ثلاث نوى يورانيوم، يجب إطلاق 6-9 نيوترونات جديدة، وسوف تسقط في نوى يورانيوم جديدة، وما إلى ذلك. ويرد في الشكل 316 رسم تخطيطي لتطور التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم.

أرز. 316

إن التنفيذ العملي للتفاعلات المتسلسلة ليس مهمة بسيطة كما تبدو في الرسم التخطيطي. النيوترونات المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم قادرة على التسبب في انشطار نوى نظير اليورانيوم ذو العدد الكتلي 235 فقط، لكن طاقتها غير كافية لتدمير نوى نظير اليورانيوم ذو العدد الكتلي 238. وفي اليورانيوم الطبيعي تبلغ حصة اليورانيوم ذو العدد الكتلي 238 99.8%، وتبلغ حصة اليورانيوم ذو العدد الكتلي 235 0.7% فقط. ولذلك، فإن الطريقة الأولى الممكنة لتنفيذ التفاعل المتسلسل الانشطاري ترتبط بفصل نظائر اليورانيوم وإنتاج النظير في شكله النقي بكميات كبيرة بما فيه الكفاية. الشرط الضروري لحدوث التفاعل المتسلسل هو وجود كمية كبيرة بما فيه الكفاية من اليورانيوم، لأنه في عينة صغيرة تطير غالبية النيوترونات عبر العينة دون الاصطدام بأي نواة. تسمى الكتلة الدنيا لليورانيوم التي يمكن أن يحدث فيها تفاعل متسلسل بالكتلة الحرجة. وتبلغ الكتلة الحرجة لليورانيوم 235 عدة عشرات من الكيلوغرامات.

إن أبسط طريقة لإجراء تفاعل متسلسل في اليورانيوم 235 هي ما يلي: يتم تصنيع قطعتين من معدن اليورانيوم، كل منها ذات كتلة أقل بقليل من الكتلة الحرجة. لا يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل في كل منهما على حدة. عندما يتم توصيل هذه القطع بسرعة، يتطور تفاعل متسلسل ويتم إطلاق طاقة هائلة. وتصل درجة حرارة اليورانيوم إلى ملايين الدرجات، ويتحول اليورانيوم نفسه وأي مواد أخرى قريبة منه إلى بخار. تتوسع الكرة الغازية الساخنة بسرعة، وتحرق وتدمر كل شيء في طريقها. هكذا يحدث الانفجار النووي.

من الصعب جدًا استخدام طاقة الانفجار النووي للأغراض السلمية، لأن إطلاق الطاقة لا يمكن السيطرة عليه. يتم تنفيذ التفاعلات المتسلسلة الخاضعة للرقابة لانشطار نواة اليورانيوم في المفاعلات النووية.

مفاعل نووي.كانت المفاعلات النووية الأولى عبارة عن مفاعلات نيوترونية بطيئة (الشكل 317). تمتلك معظم النيوترونات المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم طاقة تتراوح بين 1-2 ميغا إلكترون فولت. تبلغ سرعتها حوالي 107 م/ث، ولهذا تسمى بالنيوترونات السريعة. في مثل هذه الطاقات، تتفاعل النيوترونات مع نواة اليورانيوم واليورانيوم بنفس الكفاءة تقريبًا. وبما أن نوى اليورانيوم في اليورانيوم الطبيعي تحتوي على 140 مرة أكثر من نوى اليورانيوم، فإن معظم هذه النيوترونات تمتصها نوى اليورانيوم ولا يتطور تفاعل متسلسل. النيوترونات التي تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الحركة الحرارية (حوالي 2·103 م/ث) تسمى بطيئة أو حرارية. تتفاعل النيوترونات البطيئة بشكل جيد مع نوى اليورانيوم 235 ويتم امتصاصها بكفاءة أكبر بـ 500 مرة من النيوترونات السريعة. ولذلك، عندما يتم تشعيع اليورانيوم الطبيعي بالنيوترونات البطيئة، فإن معظمها لا يتم امتصاصه في نوى اليورانيوم -238، ولكن في نوى اليورانيوم -235 ويتسبب في انشطارها. وبالتالي، لكي يتطور التفاعل المتسلسل في اليورانيوم الطبيعي، يجب تقليل سرعات النيوترونات إلى سرعات حرارية.

أرز. 317

تتباطأ سرعة النيوترونات نتيجة اصطدامها بالنوى الذرية للوسط الذي تتحرك فيه. لإبطاء النيوترونات في المفاعل، يتم استخدام مادة خاصة تسمى الوسيط. يجب أن يكون لنوى ذرات المادة الوسيطة كتلة صغيرة نسبيًا، لأنه عند الاصطدام بنواة خفيفة، يفقد النيوترون طاقة أكبر من تلك التي يفقدها عند الاصطدام بنواة ثقيلة. المشرفون الأكثر شيوعًا هم الماء العادي والجرافيت.

يُطلق على المكان الذي يحدث فيه التفاعل المتسلسل اسم قلب المفاعل. لتقليل تسرب النيوترونات، يُحاط قلب المفاعل بعاكس نيوتروني، والذي يرفض جزءًا كبيرًا من النيوترونات الهاربة إلى القلب. عادةً ما يتم استخدام نفس المادة التي تعمل كمهدئ كعاكس.

تتم إزالة الطاقة المنبعثة أثناء تشغيل المفاعل باستخدام المبرد. يمكن فقط استخدام السوائل والغازات التي ليس لديها القدرة على امتصاص النيوترونات كمبرد. ويستخدم الماء العادي على نطاق واسع كمبرد، ويستخدم في بعض الأحيان ثاني أكسيد الكربون وحتى الصوديوم المعدني السائل.

يتم التحكم في المفاعل باستخدام قضبان تحكم (أو تحكم) خاصة يتم إدخالها في قلب المفاعل. قضبان التحكم مصنوعة من مركبات البورون أو الكادميوم، التي تمتص النيوترونات الحرارية بكفاءة عالية جدًا. وقبل أن يبدأ تشغيل المفاعل، يتم إدخالها بالكامل إلى قلبه. ومن خلال امتصاص جزء كبير من النيوترونات، فإنها تجعل من المستحيل حدوث تفاعل متسلسل. لبدء تشغيل المفاعل، تتم إزالة قضبان التحكم تدريجيًا من قلب المفاعل حتى يصل إطلاق الطاقة إلى مستوى محدد مسبقًا. عندما تزيد الطاقة عن المستوى المحدد، يتم تشغيل الآلات الأوتوماتيكية، مما يؤدي إلى غرس قضبان التحكم في عمق القلب.

الطاقة النووية.لقد تم وضع الطاقة النووية في خدمة السلام لأول مرة في بلادنا. كان أول منظم وقائد للعمل في مجال العلوم والتكنولوجيا الذرية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية هو الأكاديمي إيغور فاسيليفيتش كورشاتوف (1903-1960).

حاليًا، أكبر محطة طاقة نووية في الاتحاد السوفييتي وأوروبا هي محطة لينينغراد للطاقة النووية التي سميت باسمها. في و. لينين لديه قدرة 4000 ميغاواط، أي. 800 مرة قوة أول محطة للطاقة النووية.

تكلفة الكهرباء المولدة في محطات الطاقة النووية الكبيرة أقل من تكلفة الكهرباء المولدة في محطات الطاقة الحرارية. ولذلك فإن الطاقة النووية تتطور بوتيرة متسارعة.

تستخدم المفاعلات النووية كمحطات لتوليد الطاقة على متن السفن البحرية. تم بناء أول سفينة سلمية في العالم مزودة بمحطة للطاقة النووية، وهي كاسحة الجليد لينين التي تعمل بالطاقة النووية، في الاتحاد السوفيتي في عام 1959.

أصبحت كاسحة الجليد السوفيتية أركتيكا التي تعمل بالطاقة النووية، والتي بنيت في عام 1975، أول سفينة سطحية في العالم تصل إلى القطب الشمالي.

رد فعل نووي حراري.يتم إطلاق الطاقة النووية ليس فقط في التفاعلات النووية لانشطار النوى الثقيلة، ولكن أيضًا في تفاعلات مزيج من النوى الذرية الخفيفة.

لتوصيل البروتونات المشحونة بشكل مماثل، من الضروري التغلب على قوى كولوم التنافرية، وهو أمر ممكن عند السرعات العالية بما فيه الكفاية لتصادم الجزيئات. الشروط اللازمة لتخليق نواة الهيليوم من البروتونات موجودة في داخل النجوم. على الأرض، تم إجراء تفاعل الاندماج النووي الحراري أثناء الانفجارات النووية الحرارية التجريبية.

يتم تصنيع الهيليوم من النظير الخفيف للهيدروجين عند درجة حرارة حوالي 108 كلفن، وبالنسبة لتخليق الهيليوم من نظائر الهيدروجين الثقيلة - الديوتيريوم والتريتيوم - وفقًا للمخطط

يتطلب التدفئة إلى ما يقرب من 5 10 7 ك.

عندما يتم تصنيع 1 جم من الهيليوم من الديوتيريوم والتريتيوم، تكون الطاقة المنطلقة 4.2·10 11 J. ويتم إطلاق هذه الطاقة عند حرق 10 أطنان من وقود الديزل.

احتياطيات الهيدروجين على الأرض لا تنضب عمليا، وبالتالي فإن استخدام طاقة الاندماج النووي الحراري للأغراض السلمية هي واحدة من أهم مهام العلوم والتكنولوجيا الحديثة.

من المفترض أن يتم التفاعل النووي الحراري المتحكم فيه لتخليق الهيليوم من نظائر الهيدروجين الثقيلة عن طريق التسخين عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر البلازما. يتم استخدام المجال المغناطيسي لمنع البلازما الساخنة من ملامسة جدران الغرفة. وفي التركيب التجريبي توكاماك-10، تمكن الفيزيائيون السوفييت من تسخين البلازما إلى درجة حرارة 13 مليون درجة. يمكن تسخين الهيدروجين إلى درجات حرارة أعلى باستخدام إشعاع الليزر. وللقيام بذلك، يجب تركيز أشعة الضوء الصادرة عن عدة أشعة ليزر على كرة زجاجية تحتوي على خليط من النظائر الثقيلة للديوتيريوم والتريتيوم. في التجارب على تركيبات الليزر، تم بالفعل الحصول على بلازما بدرجة حرارة عدة عشرات الملايين من الدرجات.