Таным • 26 Шілде, 2023

Термоядролық реакцияларды зерттеудің жаңа әдісі

300 рет
көрсетілді
5 мин
оқу үшін

В.Г.Фесенков атындағы Астро­физика институтының ядролық астрофизика зертханасы жаһан­дық термоядро үдерісін зерттеуді қолға алды.

Термоядролық реакцияларды зерттеудің жаңа әдісі

Жобаның ғылыми жетекшісі – зерт­хана меңгерушісі, физика-мате­ма­­тика­ ғылымдарының докторы, профессор­ Сергей Дубовиченко. Ол моди­фи­ка­ция­ланған әлеуетті клас­­­­тер­лік модель шеңберінде аспан денелерінің, жұл­дыз­­­дардың термо­ядролық үдерісінде реак­ция­­лардың жыл­дамдығын есептеудің бірыңғай әдіс­терін әзірлеуді және эксперимент нәти­же­сін салыстырмалы талдау арқылы кей­бір термоядролық реакциялардың жыл­дам­дығын зерттеуді мақсат етіп отыр.

Жұлдыздардың қуат көзі туралы мәселе XIX ғасырдың 40 жылдары энергия­ны сақтау заңы тұжырымдалғаннан кейін пайда болды. Сутектің гелийге айналуы кезінде энергия бөлінеді деген гипотезаны 1920 жылы Артур Эддингтон алға тартты, содан кейін осы үдеріске тән реакция­лар тізбегі табылды. 1941 жылы Мартин Шварцшильд термоядролық энергия көзі бар күн моделін есептеп шығарды және күннің кейбір байқалатын қасиеттерін теориялық тұрғыдан болжай алды, осылайша, жұлдыздардың ішкі бөлігіндегі синтез теориясы расталды. Кейінірек жұлдыздардың ішінде пайда болатын басқа реакциялар анықтала бастады.

Жұлдыздарды жап-жарық етіп тұра­тын­ энергия көзі бар. Жұлдыздардың ішкі температурасы өте жоғары болған­дық­тан онда ядролық реакциялар жүреді. Ядролық реакциялар кезінде нуклеосинтез түзіліп, қуат алынады. Энергияның көп бөлігі жылуға айналады, ол біртіндеп жұл­дыздың бетіне фотондармен қайта шы­ға­рылады. Энергияның аз бөлігі ней­трино түрінде шығарылады, олар жо­лын­­да еш нәрсемен әрекеттеспей өтіп ке­теді. Реакцияның жылдамдығы жұл­дыз­дың ішкі температурасы мен тығыз­ды­­ғына байланысты. Отандық ғалым осы реакцияның жылдамдығын есептеу бо­­­йынша тиімді әдіс-тәсілді зерттеуді бас­таған.

Ядролық синтез реакциясы соқты­ғы­сатын ядролар ядролық тартылыс аймағында болған кезде басталады. Ядро­лық реакциялар нәтижесінде әртүрлі химиялық элементтердің ядролары түзіледі. Төмен массалы жұлдыздар сутектен гелийді синтездеу­ге­ қабілетті болады. Ядролық реак­ция­­лар нәтижесінде жұлдыздардың химиялық құрамының біртіндеп өзге­руі­ олардың эволюциясы болып есеп­те­леді. Атом ядроларындағы нуклондар ядро­лық өзара әрекеттесу күштерімен бай­ланысады, бірақ бұл күштер тек қысқа қашықтықта әрекет етеді – ядро мөл­шерінің реті, ал үлкен қашықтықта кулондық итеру басым болады. Бұл дегеніміз, термоядролық реакция пайда болуы үшін ядролар кулондық тосқауылдан өтуі керек.

Өзін-өзі қамтамасыз ететін термо­ядро­лық реакциялар – ядролық энергияның тиімді көзі. Алайда оларды жерде жүзеге асыру қиын, өйткені бұл үшін үлкен тем­пературада ядролардың жоғары кон­цен­трациясын сақтау қажет. Өзін-өзі қамтамасыз ететін термоядролық реакция­лардың жүруіне қажетті жағдай энергия­ның негізгі көзі санала­тын жұлдыздарда болады. Жер бетінде сутегі бомбасын жару арқылы өте қысқа уақытта (10-7-10-6 секунд) орасан зор энергия бөлінетін өзін-өзі қамтамасыз ететін термоядролық реакция­лар жүргізілген. Мұндай жарылыстарда энергияның бөлінуін қамтамасыз ететін негізгі термоядролық реакциялардың бірі – нейтрон шығаратын гелий ядросына екі ауыр сутегі изотоптарының (дейтерий мен тритий) бірігу реакциясы болады. Бұл реакция алғаш рет 1950 жылы Қазақстанда Семей полигонында жүзеге асырылған. Термоядролық жарылыста атом бомбасының заряды мен сутек изотоптарының бірігуінен қуат алынады. Термоядролық синтез кезінде бөлінетін энергия мөлшері ядролық бөліну реакцияларына қарағанда төрт есе көп. Теориялық тұрғыдан алғанда, реагенттердің бірнеше грамын қолдана отырып, бір терад­жоуль энергия алуға болады, бұл дамыған елдегі бір адамға алпыс жыл ішінде қажет энергияға тең.

Ғалымдар термоядролық синтез мил­лион­даған жылдар бойы адамзаттың энер­­гетикалық қажеттіліктерін толық­ қанағаттандыра алады дейді. Өйт­кені термоядролық отынды ұзақ сақта­ла­тын жоғары белсенді ядролық қал­дық­тар­ды, көмірқышқыл газы және басқа да парниктік газдарды атмосфераға шығармайды. Атом электр стансалары мен термоядролық электр стансалары экологияға әлдеқайда зиянсыз. Статистикаға сәйкес, 1 кг көмірді жаққан кезде 7 кВт/сағ энергия өндірілсе, 1 кг газ 14 кВт/сағ энергия бөледі. 1 кг ураннан 620 000 кВт/сағ энергия өндіріледі. Энергия тиімділігі тұрғысынан уран көмірге қарағанда 90 000 есе және газға қарағанда 45 000 есе тиімді.

Әлемде термоядролық реакцияларды зерттеудің әртүрлі әдістер мен модельдерге негізделген түрлері бар. Дегенмен олардың көбі резонанстық топ әдісі сияқты өте күрделі есептеу схемаларына негізделген. Ал қарапайым потенциалды екі кластерлік модельдердің мүмкіндіктері әлі толық зерттелмеген. Отандық ғалым Сергей Дубовиченко осы мәселені назарға алған. Ғалымның айтуынша, қолда бар эксперименттік фактілерді түсіндіру үшін міндетті түрде резонанстық топ әдісі шеңберіндегі салыстырмалы күрделі есептеулер қажет бола бермейді. Көптеген тапсырманы қарастыру үшін орбиталық күйлердің Юнг схемаларына сәйкес жіктелуін ескеретін салыстырмалы түрдегі қара­пайым әдісті қолдану жеткілікті. Бұл тәсіл көптеген жағдайда эксперименттік деректерді сипаттау кезінде жеткілікті нәтижелерге қол жеткізуге мүмкіндік береді екен.