Ядерна енергія може вивільнятися не тільки під час поділу важких ядер на легші , а також і при з’єднанні ( синтезі ) легких ядер у більш масивні. Така реакція мала місце при утворенні ядер гелію з ядер водню і нейтронів. При утворенні ядра гелію виділяється близько 28 МеВ енергії.
Розглянувши криву залежності питомої енергії зв'язку нуклона в ядрі від масового числа А , не важко переконатися, що оскільки питома енергія зв’язку ядра 2 He 4 більша, ніж у сусідніх ядер, то при його утворенні має виділятися енергія. Реакції підтверджують це:
1 H 2 + 1 H 3 ⇒ 2 He 4 + o n 1 + 17,6 MeB;
1 H 2 + 2 He 3 ⇒ 2 He 4 + 1 H 1 + 18,35 MeB;
3 Li 6 + 1 H 2 ⇒ 2 He 4 + 2 He 4 + 22,37 MeB.
Отже, ядерна реакція злиття легких ядер також може бути джерелом енергії.
Слід сказати, що в першій реакції при синтезі ядра гелію виділяється в чотири рази більше енергії, ніж при реакції поділу ядра.
Однак здійснити практично такі реакції дуже складно. За нормальних умов ядра зливатися не можуть, бо позитивно заряджені ядра зазнають величезних сил кулонівського відштовхування. Тому при синтезі легких ядер завдання зводиться до того, щоб зблизити ядра на такі відстані, при яких дія ядерних сил притягання перевищувала б кулонівські сили відштовхування. Щоб атомні ядра зблизилися, треба збільшити їх рухливість, тобто збільшити кінетичну енергію. Розрахунки показують, що для здійснення реакції синтезу ядра гелію з ядер дейтерію і тритію, ці ядра повинні мати кінетичну енергію порядка 0,01 МеВ. Цього досягають підвищенням температури. За рахунок здобутої теплової енергії збільшується рухливість ядер і вони можуть підійти одне до одного на такі близькі відстані, що під дією ядерних сил зчеплення зіллються в нове, складніше ядро.
Оскільки реакція злиття легких атомних ядер у важчі відбувається при дуже високих температурах ( 107 К і вище ), такі реакції називаються термоядерними реакціями або реакціями термоядерного синтезу. При нагріванні до таких температур речовина перетворюється в гарячу плазму.
Подана вище перша реакція злиття ядер дейтерію і тритію лягла в основу створення водневої бомби. Запалом у цій бомбі є атомна бомба, під час вибуху якої виникає температура до 107 К, достатня для перебігу реакції синтезу. В цьому разі термоядерна реакція є некерована.
Реакція синтезу відбувається в надрах зір, у тому числі і нашого Сонця. Зорі і Сонце складаються в основному з водню до 80 % і гелію до 20 %. Температура в їх надрах досягає 107 - 108 К. При такій температурі всі атоми повністю іонізовані і перетворюються в плазму. Сонце і зорі є ніби величезними термоядерними реакторами. Термоядерна реакція, яка відбувається в надрах нашого Сонця при Т < 1,6 * 107 К , така:
1 H 1 + 1 H 1 ⇒ 1 H 2 + 1 e o + n
1 H 2 + 1 H 1 ⇒ 2 He 3 + y
2 He 3 + 2 He 3 ⇒ 2 He 4 + 2 1 H 1 .
Цей ланцюжок термоядерних реакцій, внаслідок якого чотири ядра водню 1Н1 перетворюються в одне ядро гелію 2Не4, називається протон-протонним циклом. Середня тривалість останньої реакції, яка завершує цикл, близько 1 млн. років, а енергетичний ефект її – близько 13 МеВ. В цілому енергетичний ефект протон-протонного циклу становить 27 МеВ.
При вищих температурах ( Т > 1,6 * 107 К ) відбувається вуглецевий цикл. Результатом вуглецевого циклу як і протон-протонного є перетворення чотирьох ядер водню в одне ядро гелію. Кількість ядер вуглецю, яка бере участь в реакції, не змінюється; вони виконують роль каталізатора. Знаючи приблизно хімічний склад Сонця і його масу, можна визначити час перебігу термоядерних реакцій до того моменту, коли весь водень буде витрачений і Сонце почне затухати. Цей час становить приблизно 50 млрд. років.
Некеровані термоядерні реакції відбуваються під час вибухів водневих бомб, в результаті чого вивільняється величезна кількість ядерної енергії. Оволодіти керованою термоядерною реакцією – означає оволодіти найбагатшим і найдешевшим джерелом енергії
З метою керування реакцією синтезу водневих ядер і створення керованих термоядерних реакторів розробляють методи створення дуже великих температур у водневій плазмі.
Одним з основних методів нагрівання плазми є пропускання крізь неї електричного струму, нагрівання струмами високої частоти, ударними хвилями, методом адіабатного стискання тощо. Останнім часом особлива увага приділяється використанню електронних або лазерних пучків дла миттєвого нагрівання термоядерного палива до необхідних температур .Плазму вдалося нагріти до 40 млн. градусів.
Основна трудність у здійсненні керованої термоядерної реакції полягає в тому, щоб забезпечити повну ізоляцію плазми від стінок установки, в якій вона міститься. Плазма, стикаючись з стінками установки, вмить охолоджується і перестає існувати. Отже, плазма повинна бути оточена вакуумом. Щоб забезпечити її від стикання з стінками установки, застосовують так звану магнітну теплоізоляцію. Найперспективнішою термоядерною установкою є “ Токамак “ ( тороїд, камера, магніт ). На установці “ Токамак – 10 “ в Інституті атомної енергії ім. І. В. Курчатова було добуто плазму з температурою близько 106 К і часом її існування близько 80 мс.
Зараз у багатьох країнах світу ведеться велика теоретична й експериментальна робота по одержанню керованх термоядерних реакцій. Розв’язання проблем керованої термоядерної реакції дасть можливість людству позбутися турбот про джерела енергії; у цьому разі ядерним пальним буде вода морів і океанів. Але цю енергію можна буде добути лише тоді, коли будуть розв’язані проблеми нагрівання до величезних температур великої кількості легких ядер і збереження їх у такому стані протягом помітних проміжків часу.
Температура, густина плазми і час її існування, досягнуті в наш час, поки що недостатні для здійснення синтезу великої кількості легких ядер. Поки що трудно сказати , коли буде одержана керована термоядерна реакція, можна лише сподіватись, що її успішне розв’язання обіцяє практично безмежне розширення енергетичних ресурсів на Землі.
| 
