Надо Знать

добавить знаний



Ядерный синтез



План:


Введение

Дейтерий-тритиевая реакция синтеза считается перспективной как источник термоядерной энергии

Ядерный синтез - это процесс, во время которого два атомных ядра объединяются, формируя труднее ядро.

Для сближения атомных ядер на расстояние, достаточное для того, чтобы начала действовать сильная ядерное взаимодействие и состоялась ядерная реакция, требуется некоторое количество энергии.

Если ядро ​​элемента, образованного в результате объединения ядер, будет легче ядра железа, то обычно выделяется значительно больше энергии, чем расходуется на преодоление электростатического отталкивания. Благодаря этому ядерный синтез - перспективный источник энергии и является важным направлением исследований современной науки и техники.

Ядерный синтез является источником энергии в звездах и применяется в водородных бомбах.


1. Процесс реакции ядерного синтеза

В атомном ядре действуют два типа взаимодействия: сильное взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны вместе и значительно слабее электростатическое отталкивание между одинаково заряженными протонами ядра, пытается разорвать ядро. Сильное взаимодействие проявляется лишь на очень коротких расстояниях между протонами и нейтронами, непосредственно граничащие друг с другом. Это также означает, что протоны и нейтроны на поверхности ядра содержатся слабее, чем протоны и нейтроны внутри ядра. Сила электростатического отталкивания взамен действует на любых расстояниях и является обратно пропорциональной квадрату расстояния между зарядами, то есть каждый протон в ядре взаимодействует с каждым другим протоном в ядре. Это приводит к тому, что с увеличением размера ядра силы, удерживающие ядро, вырастают до определенного атомного номера (железа), а затем начинают ослабевать. Начиная с Висмут все ядра тяжелых элементов нестабильны.


1.1. Кулоновский барьер

Для осуществления реакции ядерного синтеза необходимо приложить определенную энергию на преодоление силы электростатического отталкивания между двумя атомными ядрами и свести их на расстояние, где начинает действовать сильное взаимодействие. Энергия, необходимая для преодоления силы электростатического отталкивания, называется кулоновским барьером.

Кулоновский барьер низкий для изотопов водорода, поскольку они имеют в ядре только один протон. Для смеси дейтерия и трития результирующий энергетический барьер составляет 0,1 МэВ. Для сравнения, чтобы лишить атом водорода его электрона нужно только 13 эВ, то есть в 7500 раз меньше. Когда реакция синтеза завершается, новое ядро ​​находится в возбужденном состоянии и переходит на более низкий энергетический уровень с выделением энергии. Например, в реакции между дейтерием и тритием образуется ядро ​​гелия и излучается нейтрон с энергией 17,59 MeV, что намного больше, чем нужно для начала реакции. То есть, реакция дейтерия и трития происходит с высвобождением большого количества энергии.


1.2. Термоядерная реакция

Если ядра является частью плазмы вблизи состояния теплового равновесия, а реакция синтеза происходит за счет кинетической энергии термического движения ионов плазмы, то такая реакция синтеза называется термоядерным синтезом. Поскольку температура согласно кинетической теории является мерой средней кинетической энергии частиц, нагревая плазму можно придать ядрам энергию, достаточную для преодоления кулоновского барьера.

Переложив 0,1 M эВ (энергетическое значение кулоновского барьера для D-Т реакции синтеза) в Кельвин получим температуру свыше 1 ГК, это очень высокая температура.

Есть однако два явления, в результате которых ядерные реакции происходят при значительно более низких температур. Во-первых, температура отражает среднюю кинетическую энергию, то есть даже при температурах, ниже эквивалента 0,1 МэВ, часть ядер будет иметь энергию значительно большую за 0,1 МэВ, в то время как остальные иметь меньшую энергию. Во-вторых, вследствие квантового туннелирования ядра могут преодолевать барьер Кулона и по меньшей энергии. Вероятность такого события невелика, однако это позволяет получить (медленнее) реакции синтеза при более низких температурах.


2. Ядерный синтез в звездах

Протон-протонный цепочка является Основания источником энергии для Солнца и меньших зрение.

Условия для ядерного синтеза полной мере возникают в недрах звезд, в частности Солнца. Именно реакции ядерного синтеза производят энергию, излучаемую звездами. Первым звеном звездного нуклеосинтеза реакция образования α-частицы из четырех протонов. Эта реакция обеспечивает энергией все звезды течение около 90% времени их существования. Следующим звеном является тройная α-реакция (образование ядра углерода из трех ядер гелия). Она может происходить только в звездах, масса которых превышает 0,5 M ☉.

Ядро углерода может реагировать с протонами и α-частицами, благодаря чему образуются разнообразные легкие ядра вплоть до железа. Образование еще более тяжелых ядер происходит в ядрах и оболочках массивных красных гигантов благодаря s-процесса.


3. Искусственный ядерный синтез

Процесс ядерного синтеза искусственно воспроизводят на широком оборудовании по для научных и технологических целей.

Самый устройство, в котором было получено ядерный синтез - вакуумная камера с природным источником α-частиц, которую применил Эрнест Резерфорд.

Позже было создано разнообразные ускорители заряженных частиц, в которых также происходили ядерные реакции синтеза. На таком оборудовании был получен искусственно синтезированные химические элементы с атомными номерами более 100 [1]. В ускорителях ядерный синтез происходит за счет энергии электрического поля, ускоряет протоны, α-частицы или тяжелые ионы.

Прежде практическое применение реакции ядерного синтеза - водородная бомба, где термоядерная реакция инициируется взрывом ядерного запала.

Также используются так называемые нейтронные фабрики - источники нейтронов [2], получаемых от реакций синтеза благодаря энергии электрического поля. В частности, миниатюрные источники нейтронов используют как инициаторы для ядерных бомб [3]. Подобным образом функционируют также фузоры - миниатюрные реакторы синтеза с инерционным удержанием плазмы и родственные им реакторы типа "Поливелл". Фузоры не считают перспективными, как источник энергии, и они являются предметом интереса любителей ядерной физики, тогда как реакторы системы "Поливелл" исследуются как перспективный источник энергии.

Осуществляются активные исследования для создания устройств, которые помогли бы получать термоядерной энергии. Однако немногие современных термоядерных реакторов применяют непосредственно для получения термоядерной реакции. Большинство из таких устройств - модели, использующие водородную плазму, которая по своим свойствам подобна дейтерий-тритиевои. Крупнейшим проектом термоядерной энергетики является международный проект ITER.


3.1. Ядерный синтез в энергетике

Чтобы быть пригодной для использования в качестве источника энергии, реакция синтеза должна удовлетворять следующим критериям:

  • ... Быть экзотермической.
  • ... Задействовать легкие элементы. Это требование позволяет использовать реактанты с низким кулоновским барьером, реакции между которыми начинаются при более низкой температуре.
  • ... Только два реактанты. Реакции с большим количеством компонент возможны лишь при значительной плотности плазмы, что существует только в недрах звезд.
  • ... Иметь два продукта реакции. Это позволяет одновременно удовлетворить законы сохранения энергии и импульса [ ].
  • ... Хранить протоны и нейтроны [ Источник? ].

Количество реакций, которые удовлетворяют указанным требованиям, небольшая, ниже приведены наиболее интересные из них.

(1) D + T 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
(2) D + D T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) (50%)
(3) 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) (50%)
(4) D + 3 He 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
(5) T + T 4 He + 2 n + 11.3 MeV
(6) 3 He + 3 He 4 He + 2 p
(7) 3 He + T 4 He + p + n + 12.1 MeV (51%)
(8) 4 He (4.8 MeV) + D (9.5 MeV) (43%)
(9) 4 He (0.5 MeV) + n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV) (6%)
(10) D + 6 Li 2 4 He + 22.4 MeV
(11) p + 6 Li 4 He (1.7 MeV) + 3 He (2.3 MeV)
(12) 3 He + 6 Li 2 4 He + p + 16.9 MeV
(13) p + 11 B 3 4 He + 8.7 MeV

p ( протон), D ( дейтерий) и T ( тритий) - устоявшиеся обозначения для трех изотопов водорода.

Чтобы оценить пригодность этих реакций, кроме компонентов реакции и энергии, высвобождаемой, следует знать поперечное сечение реакции. Каждый реактор синтеза способен выдержать определенное максимальное значение давления плазмы, и чтобы быть экономически выгодным он будет работать с плотностью плазмы, близкой к максимальной. При таком давлении максимальный выход реакции будет получено при температуре, когда значение <σv> / T ? является максимальным. При такой температуре значение nT τ, необходимое для зажигания ( англ. ignition ), Является минимальным. Ниже приводятся значения оптимальной температуры и <σv> / T ? некоторых из приведенных выше реакций.

топливо T [keV] <Σv> / T ? [m? / sec / keV ?]
DT 13,6 1,24 ? 10 -24
DD 15 1,28 ? 10 -26
D-3 He 58 2,24 ? 10 -26
p-6 Li 66 1,46 ? 10 -27
p-11 B 123 3,01 ? 10 -27

Любая из приведенных выше реакций могла бы быть источником энергии синтеза. Однако помимо температуры и поперечного сечения рассмотрим также общую энергию синтеза E fus, энергию заряженных частиц E ch, и атомный номер Z неводневих Химические.

топливо Z E fus [MeV] E ch [MeV] нейтроннисть
DT 1 17,6 3,5 0,80
DD 1 12,5 4,2 0,66
D-3 He 2 18,3 18,3 ~ 0,05
p-11 B 5 8,7 8,7 ~ 0,001

Последняя колонка - это нейтроннисть реакции, т.е. та часть энергии, которая высвобождается в виде нейтронов. Это значение является важным индикатором, поскольку серьезны проблемы, связанные с нейтронным облучением (например, радиацине повреждения материалов, биологическая защита реактора, дистанционное обслуживание и безопасность). Для первых двух реакций она рассчитана по формуле (E fus - E ch) / E fus. Для двух последних приведены примерные значения излучения для побочных реакций, образуют нейтроны, поскольку собственно реакция их не производит.


3.2. Критерий Лоусона

Важным для понимания реакции синтеза является понятие поперечного сечения реакции σ: меры вероятности реакции синтеза как функции относительной скорости двух взаимодействующих ядер. Для термоядерной реакции синтеза удобнее рассматривать среднее значение распределения произведения поперечного сечения на скорость ядра \ Langle \ sigma v \ rangle . Используя его, можно записать скорость реакции (слияния ядер на объем на время) как

f = n_1 n_2 \ langle \ sigma v \ rangle

Где n_1 и n_2 это плотность Химические. \ Langle \ sigma v \ rangle возрастает от нуля при комнатной температуре до значительной величины уже через энергий 10 - 100 кэВ (такой энергии соответствуют температуры вещества порядка миллионов градусов Кельвина при которых компоненты реакционной смеси переходят в состояние плазмы).


3.3. Сравнение параметров реакций

топливо <Σv> / T ? штраф / вознаграждение реактивность критерий Лоусона плотность энергии
DT 1,24 ? 10 -24 1 1 1 1
DD 1,28 ? 10 -26 2 48 30 68
D-3 He 2,24 ? 10 -26 2/3 83 16 80
p-11 B 3,01 ? 10 -27 1/3 1240 500 2500

"Штраф / вознаграждение" касаются неводневого и однокомпонентного топлива. "Штраф" в размере (2 / (Z +1)) для неводневих компонентов топлива следует из того факта, что из таких компонент образуется больше электронов, которые создают давление, но не участвуют в реакции синтеза. Также есть "вознаграждение" для DD реакции, поскольку каждый ион в плазме может взаимодействовать с любым другим ионом (однокомпонентное топливо).

Величину в колонке "реактивность" получено делением максимального сечения <σv> / T ? (1,24 ? 10 -24, из предыдущей таблицы) на произведение второй и третьей колонок. Она означает насколько другие реакции происходят медленнее, чем DT реакция, при тех же условиях. Колонка "Критерий Лоусона" взвешивает результаты с E ch и служит индикатором того, насколько труднее достичь воспаление этих реакций (по сравнению с DT реакцией). Последняя колонка, "плотность энергии", взвешивает реактивность с E fus. Она служит указателем того, насколько ниже плотность энергии синтеза (по сравнению с DT реакцией) и может служить мерой экономического потенциала [ Источник? ].


3.4. Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена за счет введения в реакционную смесь мюонов.

Мюоны μ - вступают во взаимодействие с компонентами реакционной смеси и образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов вещества несколько меньше, что облегчает их сближения и повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Количество реакций синтеза, инициируемого одним мюонов, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить около 100 реакций на один мюон, есть один мюон способен высвободить энергию ~ 100 ? Х МэВ, где Х - энергетический выход реакции, катализируемой.

Количество энергии, таким образом освобождается, пока меньше, чем энергетические затраты на получение самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Синтез с использованием мюонного катализа возможно станет эффективным, когда количество реакций, катализируемых одним мюонов, составит около ~ 10 4 [ Источник? ].


См.. также

Примечания

п ? в ? р Термоядерная энергетика
Базовые понятия Sun in X-Ray.png
Плазма

Магнитное содержания: Токамак ? Стеллараторов ? Левитуючий диполь ? Сферомак ? Обратная магнитная конфигурация ? Пинч с обратным полем ? Z-пинч

Магнито-инерционный содержание : замагниченной мишень

Инерционное содержания: Лазерная ? Термоядерная бомба ? Фузор Фарнсуорт-Хиша ? Поливелл
Смежные понятия
Ядерная физика ? Физика элементарных частиц


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам