Về lý thuyết, tổng hợp hai hạt nhân nhẹ giải phóng một năng lượng lớn hơn nhiều so với phản ứng phân chia hạt nhân (tính trung bình trên mỗi nuclon).
Thí dụ: H H H n 17,6MeV
4 2 3 1 2
1 + → + +
Năng lượng giải phóng trung bình cho mỗi nuclon là 3,5 MeV trong khi phản ứng nhiệt hạch chỉ cỡ 1Mev
Muốn có phản ứng tổng hợp, hạt nhân nhẹ phải vượt được hàng rào thế Coulomb để tiếp xúc nhau. Thế Coulomb này cũng tương tự năng lượng kích hoạt trong phản ứng phân chia hạt nhân.
Như vậy chỉ có những hạt nhân có động năng đủ lớn mới tham gia phản ứng được. Có thể thực hiện bằng cách đốt nóng nhiên liệu đến nhiệt độ rất cao. Nếu trong quá trình tổng hợp hạt nhân nhiệt độ cần thiết đạt được thì phản ứng tự duy trì. Chỉ cần khởi động nó, phản ứng sẽ tự tiếp diễn tương tự phản ứng phân chia dây chuyền. Hiện nay việc nung nóng chất phản ứng là phương pháp duy nhất tạo phản ứng tổng hợp. Do đó có tên gọi là phản ứng nhiệt hạch .
a) Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ
Phản ứng nhiệt hạch trong lòng các vì sao là nguồn gốc năng lượng của chúng.
Nhiệt độ của Mặt Trời xấp xỉ 20 triệu độ Kelvin, mật độ vật chất của Mặt Trời khoảng 100g/cm3 , với mật độ này vật chất trong Mặt Trời nằm trong trái trạng plasma, tức là trạng thái khí hạt nhân - electron.
Tương ứng với nhiệt độ này, năng lượng của khí hạt nhân - electron vào cỡ 1eV. Tuy năng lượng thấp so với đòi hỏi củ phản ứng nhiệt hạch nhưng quá trình của phản ứng nhiệt hạch vẫn có thể xảy ra được vì hai lí do: theo phân bố Maxwell về vận tốc, vẫn có những hạt đạt được vận tốc đủ lớn để vượt hàng rào thế Coulomb giữa hai hạt nhân nhẹ (cỡ 10-1MeV); mặt khác do hiệu ứng đường ngầm, xác suất xảy ra phản ứng không bằng không.
Với những lý do trên, người ta giải thích nguồn gốc năng lượng Mặt Trời là do hai chu trình của các phản ứng nhiệt hạch sau đây :
Chu trình Bette (chu trình carbon)
γ +
→ + 7 13
12 6 1
1H C N
ν + +
→ C e+ N13 6 13
7
γ +
→ + 7 14
13 6 1
1H C N
γ +
→ + 8 15
14 7 1
1H N O
ν + +
→ N e+ O15 7 15
8
4 2 12 6 15 7 1
1H + N → C + He
Tổng quát: 4( )1H1 →2He4 +2e+ +2ν +3γ
Carbon đóng vai trò xúc tác. Nhiệt độ trung tâm Mặt Trời là 1,3.107K, mật độ Hydro là 105kg/m3
Chu trình Hydro
ν + +
→
+ H H e+ H1 1 1 1 2
1
γ +
→ +1 2 2 3
1
1H H He
( )1 1
4 2 3 2 3
2He + He → He +2 H
Tổng quát: 4( )1H1 →2He4 +2e+ +2ν +2γ
b. Phản ứng nhiệt hạch trong điều kiện phòng thí nghiệm Sử dụng nguồn năng lượng nhiệt hạch được các nhà bác học rất quan tâm. Thiết bị dựa trên các phản ứng tổng hợp các đồng vị của hydro (tổng hợp D-D và D-T) có nhiều lợi thế: nguồn nhiên liệu dơteri(D) chứa trong nước biển là vô hạn, phản ứng không tạo ra hạt nhân phóng xạ như các phản ứng phân hạch, năng lượng tạo ra cực kì lớn. Song phản ứng của chu trình
carbon và chu trình hydro rất chậm, ta không thể sử dụng chúng trong phòng thí nghiệm được.
2 2 3
1 1 2
2 2 3 1
1 1 1 1
2 3 4
1 1 2
1. 3, 2
2. 4, 0
3. 17, 6
H H He n Mev
H H H H Mev
H H He n Mev
+ → + +
+ → + +
+ → + +
Nhiệt độ và tốc độ của hai phản ứng đầu như nhau. Ở phản ứng thứ ba chúng lớn hơn 100 lần. Theo lý thuyết, khi không có tác động bên ngoài, nhiệt độ nhỏ nhất để duy trì phản ứng D-D là cỡ 350 triệu độ, còn phản ứng D-T không thấp hơn 60 triệu độ. Mật độ khí plasma của phản ứng liên quan đến áp suất của nó lên thành lò của phản ứng nhiệt hạch.
Ví dụ: Với n=1015 hạt/cm3 áp suất là:
atm nkT
p = =1015.1,38.10−23.108 ≈10 Đối với không khí
1019
.
≈ 3
n hạt/cm3
• Vì thế phải sử dụng khí plasma loãng. Vấn đề đặt ra là tạo được nhiệt độ cao và duy trì plasma nung nóng trong một thời gian dài. Với nhiệt độ trên không có một chất nào có thể chịu đựng được để làm thành lò.
• Phương pháp làm cách nhiệt là dùng từ trường tạo bởi một thiết bị gọi là “bẫy từ” trong đó xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng nén. Hiện tượng này có thể quan sát được khi nghiên cứu sự phóng điện nhờ dòng điện có cường độ cao trong ống phóng điện thẳng.
• Dòng điện chạy trong dây dẫn thể khí bị bao quanh bởi các đường sức từ hình tròn tạo bởi chính nó. Tương tác giữa dòng điện và từ trường riêng của nó tạo thành một lực nén cột plasma làm nó tách khỏi thành ống. Lực từ nén đoạn