Ликбез RnD.CNews: как работает ядерный синтез и почему звезды сияют

Реакции ядерного синтеза — это реакции, в  ходе которых несколько ядер легких атомов объединяются, чтобы создать новый атом с более тяжелым ядром. Масса ядра, образующегося в результате реакции такого типа, может быть несколько меньше суммы масс двух атомов, принявших участие в реакции. Разница в массе выделяется в виде энергии.

Ядерный синтез — очень эффективный способ получения энергии, гораздо более эффективный, чем любая химическая реакция наподобие сжигания нефти или древесины. Реакция ядерного синтеза генерирует примерно в десять миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция.

Однако такого рода реакции происходят только при очень специфических условиях Для протекания реакции синтеза необходимо соблюдения критерия Лоусона, устанавливающего температурные условия, плотность плазмы и время поддержания этих условий (время удержания плазмы).

Синтез — этап в процессе формирования звезд. Звезда — огромная вращающаяся газовая сфера, где газ притягивается к центру гравитационными силами, достигая высоких давлений и температур, которые вызывают ядерные реакции.

Учитывая, что звезда представляет собой огромный ядерный реактор, ее состав не является постоянным и меняется со временем с момента ее рождения, когда звезда зажигается или «включается», до того, как звезда израсходует все свое топливо и «умрет».

На разных стадиях жизни звезды меняются состав и условия, в которых находится ее плазма, а вместе с ними и реакции ядерного синтеза, которые мы наблюдаем в ее ядре.

Почему звезды сияют

Звезда главной последовательности на 70% состоит из водорода, на 28% — из гелия, на 1,5% — из углерода, озона, кислорода и неона, на 0,5% — из железа и других элементов. Поэтому основным топливом для синтеза является водород.

Ядро звезды очень горячее. Когда большое давление сжимает его, часть водорода превращается в гелий. Этот процесс производит огромное количество энергии и заставляет звезду сиять.

Так, огромного давления и тепла в ядре Солнца достаточно, чтобы вызвать синтез водорода. При термоядерном синтезе два атома водорода сжимаются вместе, в результате чего образуется один атом гелия, свободные нейтроны и большое количество энергии. Этот процесс создает всю энергию, выделяемую Солнцем, включая тепло, видимый свет и ультрафиолетовые лучи, которые в конечном итоге достигают Земли. Водород — не единственный элемент, который можно синтезировать таким способом, но более тяжелые элементы требуют большего давления и тепла.

Что происходит, когда у звезды заканчивается водород

Рано или поздно у звезд заканчивается водород — основное и наиболее эффективное топливо для ядерного синтеза. Когда это происходит, растущая энергия, которая поддерживала равновесие, вызывает новую стадию звездного коллапса, предотвращая дальнейшую конденсацию звездных брызг.

Когда коллапс оказывает достаточно большое давление на ядро, возможен новый этап термоядерного синтеза, но сопровождающийся сжиганием более тяжелого элемента — гелия. Звезды с массой менее половины нашего Солнца не имеют возможности синтезировать гелий и становятся красными карликами.

Образование красных гигантов и белых карликов

Когда звезда начинает плавить гелий в ядре, выход энергии увеличивается в сравнении с аналогичным процессом с водородом. Это выталкивает внешние слои звезды дальше, увеличивая ее размер. По иронии судьбы, эти внешние слои теперь находятся достаточно далеко от места, где происходит синтез, и немного остывают, превращаясь из желтых в красные. Такие звезды становятся красными гигантами.

Синтез гелия относительно нестабилен, и колебания температуры могут вызывать пульсации. В качестве побочных продуктов образуется углерод и кислород. Пульсации могут привести к взрыву новой звезды и к отрыву внешних слоев звезды. Новая звезда, в свою очередь, может создать планетарную туманность. 

Оставшееся звездное ядро ​​постепенно остынет и превратится в белого карлика. Это вероятный финал жизни нашего Солнца. Солнцу уже около 4,6 миллиардов лет, что составляет почти половину его предполагаемого срока жизни в 10 миллиардов лет. 

Образование сверхновых

Большие звезды имеют большую массу, а это означает, что, когда гелий закончится, они могут пережить новый раунд коллапса. Его давления будет достаточно для начала следующего раунда термоядерного синтеза с созданием еще более тяжелых элементов. Потенциально это может продолжаться до тех пор, пока не будет получено железо. Железо поглощает немного энергии при своем создании. Оно отделяет элементы, которые могут производить энергию при термоядерном синтезе, от тех, которые поглощают энергию.

Достигается стадия, когда термоядерный синтез истощает, а не создает энергию, хотя процесс неравномерен (синтез железа не будет происходить в ядре повсеместно). Та же нестабильность термоядерного синтеза в сверхмассивных звездах может привести к тому, что они сбрасывают свои внешние оболочки аналогично обычным звездам, в результате чего возникает сверхновая.

Вся материя во Вселенной тяжелее водорода является результатом ядерного синтеза. По-настоящему тяжелые элементы, такие как золото, свинец или уран, могут быть созданы только в результате взрывов сверхновых. Таким образом, все вещества, с которыми мы знакомы на Земле, представляют собой соединения, образовавшиеся из обломков какой-то звезды.

Нейтронные звезды и черные дыры

Если масса ядра звезды составляет от 1,4 до 3 солнечных масс, коллапс продолжается до тех пор, пока электроны и протоны не объединятся в нейтроны. Так возникают нейтронные звезды. 

Если масса звезды превышает 3 массы Солнца, ее ядро полностью коллапсирует, пока не образуется черная дыра.

Термоядерный синтез на Земле

Если ученые разработают способ использования энергии термоядерного синтеза на Земле, это может стать важным методом производства энергии.

В слиянии может участвовать множество различных элементов таблицы Менделеева. Однако исследователи, работающие над применением термоядерной энергии, особенно интересуются реакцией синтеза дейтерия-трития (DT). В результате DT-синтеза образуются нейтрон и ядро ​​гелия. При этом выделяется гораздо больше энергии, чем в большинстве реакций термоядерного синтеза.

В потенциальной термоядерной электростанции будущего, такой как токамак или стелларатор, нейтроны реакций DT будут генерировать энергию для использования человеком. Исследователи сосредоточены на реакциях DT, поскольку они производят большое количество энергии и происходят при более низких температурах, чем другие элементы.

Проект ИТЭР (ITER (ИТЭР — англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный экспериментальный термоядерный реактор), в котором активно участвует Россия, разрабатывается с середины 1980-х годов и сейчас построен примерно на 80%. Начало ядерного синтеза планируется на период между 2025 и 2026 годами.