Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 107 К и выше), называются термоядерны­ми реакциями

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. В принципе высказаны два предположения о возможных спосо­бах протекания термоядерных реакций на Солнце:

1) протонно-протонный, или водород­ный, цикл, характерный для температур (примерно 10⁷ К):

2) углеродно-азотный, или углерод­ный, цикл, характерный для более высоких температур (примерно 2•10⁷ К):

В результате этого цикла четыре протона превращаются в ядро гелия и выделяется энергия, равная 26,7 МэВ. Ядра же угле­рода, число которых остается неизменным, участвуют в реакции в роли катализатора.

Термоядерные реакции дают наиболь­ший выход энергии на единицу массы «го­рючего», чем любые другие превращения, в том числе и деление тяжелых ядер. На­пример, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина. Поэтому заманчи­ва перспектива осуществления термоядер­ных реакций искусственным путем.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бом­бы, являющегося неуправляемой реак­цией. Взрывчатым веществом, в котором происходила реакция, является смесь дейтерия и трития, а запалом — «обычная» атомная бомба, при взрыве ко­торой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции темпе­ратура.

Особый интерес представляет осуще­ствление управляемой термоядерной ре­акции, для обеспечения которой необходи­мо создание и поддерживание в ограни­ченном объеме температуры порядка 108 К. Так как при данной температу­ре термоядерное рабочее вещество пред­ставляет собой полностью ионизованную плазму возникает проблема ее эффективной термоизоляции от стенок ра­бочего объема. На данном этапе развития считается, что основной путь в этом на­правлении — это удержание плазмы в ог­раниченном объеме сильными магнитными полями специальной формы.

Начало широкого международного сотруд­ничества в области физики высокотемператур­ной плазмы и управляемого термоядерного син­теза положено в знаменитом докладе И. В. Курчатова в Харуэле в 1956 г.

Хотя проблема управляемого термоядерно­го синтеза не решена до сих пор, но за послед­нее десятилетие в этом направлении достигнут значительный прогресс. Под руководством Л. А. Арцимовича коллектив ученых Института атомной энергии (ИАЭ) им. И. В. Курчатова осуществил широкий круг исследований, ре­зультатом которых явился пуск летом 1975 г. в ИЭА крупнейшей в мире термоядерной установки «Токамак-10» (Т-10).

В Т-10, как и во всех установках этого типа, плазма создается в тороидальной камере, на­ходящейся в магнитном поле, а само плазмен­ное образование — плазменный шнур — также имеет форму тора. В Т-10 плазма с температу­рой примерно (7—8)•106 К и плотностью при­мерно 1014 частиц/см3 создается в объеме, при­близительно равном 5 м3, на время около 1 с. Однако следует отметить, что до осуще­ствления критерия Лоусона — условия, необ­ходимого для начала самоподдерживающейся термоядерной реакции,— еще остается значи­тельный «путь»: примерно 20 раз по nt (про­изведение плотности частиц на время удержа­ния плазмы) и примерно 10 раз по температуре. Результаты, полученные на Т-10, вместе с ре­зультатами, ожидаемыми на создаваемых уста­новках (например, Т-20), по мере решения раз­ного рода инженерно-технологических проблем служат базой для создания термоядерного ре­актора «Токамака».

Управляемый термоядерный синтез откры­вает человечеству доступ к неисчерпаемой «кла­довой» ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Наиболее заманчивой в этом смысле является возможность извлечения энергии из дейтерия, содержащегося в обычной воде. В са­мом деле, количество дейтерия в океанской воде составляет примерно 4•1013 т, чему соответству­ет энергетический запас 1017 МВт•год. Другими словами, эти ресурсы неограниченны. Остается только надеяться, что решение этих проблем — дело недалекого будущего.