Синтез лёгких ядер представляет собой процесс соединения двух или более лёгких атомных ядер с образованием более тяжёлого ядра с выделением значительного количества энергии. Основным фактором, определяющим возможность синтеза, является преодоление кулоновского отталкивания между положительно заряженными ядрами. Энергия взаимодействия определяется кулоновским потенциалом:
[ V_C = ,]
где (Z_1) и (Z_2) — зарядовые числа взаимодействующих ядер, (e) — элементарный заряд, (r) — расстояние между ядрами, (_0) — электрическая постоянная. Для лёгких ядер, таких как дейтерий и тритий, кулоновский барьер относительно невысок, что делает термоядерный синтез возможным при температурах порядка миллионов градусов Кельвина.
Наиболее изученными термоядерными реакциями лёгких ядер являются реакции дейтерия ((^2)) и трития ((^3)):
[ ^2 + ^3 ^4 + n + 17.6 ,]
[ ^2 + ^2 ^3 + n + 3.27 ,]
[ ^2 + ^2 ^3 + p + 4.03 .]
Эти реакции сопровождаются выделением энергии, большей по удельной плотности, чем в реакциях деления тяжёлых ядер. Превосходство термоядерного синтеза заключается в высокой энергоэффективности и минимальном образовании долгоживущих радиоактивных продуктов.
Синтез лёгких ядер осуществляется через два основных механизма:
Прямой контакт (сцепление ядер) — два ядра сближаются до расстояния, на котором сильное ядерное взаимодействие преобладает над кулоновским отталкиванием. При этом образуется промежуточное композитное ядро, которое быстро стабилизируется с испусканием нейтрона, протона или гамма-кванта.
Туннельный эффект — квантовомеханический процесс, позволяющий ядрам преодолевать кулоновский барьер при энергии ниже его максимального значения. Вероятность туннелирования описывается фактором Гамова:
[ P ( - ),]
где (v) — относительная скорость ядер, () — редуцированная постоянная Планка. Этот механизм определяет температурный порог термоядерных реакций.
Для осуществления синтеза лёгких ядер требуется высокая температура и плотность плазмы. Основные параметры контролируются формулой Лоунсбери:
[ n ,]
где (n) — плотность ионов, () — время удержания плазмы, (T) — температура, (v ) — термоядерная реакционная скорость, (Q) — выделяемая энергия на реакцию, (k_B) — постоянная Больцмана. Эта зависимость определяет критерий Лоунсбери, необходимый для самоподдерживающегося термоядерного горения.
Магнитное удержание плазмы — использование сильных магнитных полей для сдерживания плазмы и предотвращения её охлаждения. Типичные установки: токамаки и стеллараторы.
Инерциальное удержание плазмы — сжатие топливной капли с помощью мощных лазеров или импульсных источников энергии до состояния высокой плотности и температуры. При этом реакции протекают за время порядка наносекунд.
Смешанные методы — сочетание магнитного и инерциального удержания для увеличения вероятности термоядерного синтеза и контроля над процессом.
Лёгкие ядра при синтезе образуют стабилизированные ядра гелия, дейтерия и трития, сопровождающиеся излучением нейтронов и гамма-квантов. Энергия выделяется преимущественно за счёт разности масс реагирующих и продуктов, согласно уравнению Эйнштейна:
[ E = m c^2.]
Эта энергия может быть использована для нагрева теплоносителей, создания паровой турбины и производства электроэнергии. Особенностью является высокая плотность выделяемой энергии на единицу массы топлива и минимальное количество радиоактивных отходов.
Сечение реакции ((E)) зависит от энергии сталкивающихся ядер и описывает вероятность ядерного взаимодействия. Для термоядерного синтеза оно сильно возрастает с увеличением температуры плазмы, достигая оптимальных значений при нескольких десятках миллионов градусов Кельвина. Реакционная способность плазмы выражается через термоядерную скорость (v ), которая интегрирует сечение по распределению Максвелла скоростей и определяет общую интенсивность синтеза в конкретных условиях.
Синтез лёгких ядер является фундаментальным процессом для звёздной физики и термоядерной энергетики. Контролируемый синтез способен обеспечить практически неисчерпаемый источник энергии с минимальным воздействием на окружающую среду, что делает изучение механизмов синтеза и оптимизации условий реакции центральной задачей современной радиохимии и ядерной физики.