Ядерний синтез
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
У фізиці, ядерний синтез — це процес, під час якого два атомних ядра об'єднуються, формуючи більше ядро та виділяючи енергію. Ядерний синтез є джерелом енергії в зірках та водневій бомбі.
Потрібна дуже значна кількість енергії для того, щоб об'єднати два ядра, навіть для найлегшого елементу, водню. Але внаслідок об'єднання двох легших ядер, що утворюють важче ядро виділяється значно більше енергії ніж затрачається на саму реакцію. Внаслідок цього ядерний синтез є дуже перспективним джерелом енергії.
Енергія, що виділяється в більшості ядерних реакцій набагато більша, ніж в хімічних реакціях, тому що зв'язуюча енергія, що утримує частинки в ядрі разом набагато більша ніж енергія що утримує електрони в атомі. Наприклад, енергія іонізації що отримується додаванням електрону в атом водню складає 13.6 електрон-вольт — менше ніж одна мільйонна від 17 MeV що виділяються під час D-T реакції описаної нижче.
[ред.] Передумови реакції синтезу
В атомному ядрі діють дві різні сили: сильна (strong nuclear force), що утримує протони та нейтрони разом та трохи слабша електростатична між однаково зарядженими протонами ядра, що намагається розірвати ядро. Сильна сила діє на дуже коротких відстанях: між протонами та нейтронами що безпосередньо межують один з одним, що також означає що протони та нейтрони на поверхні ядра слабше утримуються аніж протони та нейтрони всередині ядра. Сила електростатичного відштовхування натомість діє на більших відстанях та є пропорційною оберненому квадрату відстані між зарядами, що означає, що кожени протон в ядрі взаємодіє з кожним іншим протоном в ядрі. Це призводить до того, що сили що утримують ядро зростають до певного розміру ядра (атом заліза), а потім починають слабшати, починаючи з урану зв'язуюча сила стає від'ємною і ядра важчих елементів стають нестабільними.
Таким чином, для здійснення реакції ядерного синтезу слід затратити певну енергію для подолання сили електростатичного відштовхування між двома атомними ядрами та звести їх на відстань де починає діяти сильна ядерна сила. Енергія що потрібна для подолання сили електростатичного відштовхування називається бар'єром Кулона (Coulomb barrier).
Бар'єр Кулона найнижчий для ізотопів водню, оскільки вони містять лишень один протон в ядрі. Для D-T суміші, результуючий енергетичний бар'єр складає 0.1 MeV. Для порівняння, щоб прибрати електрон із атому водню вимагається всього 13 eV, що в 7,500 разів менше. Коли реакція синтезу завершується, нове ядро переходить на нижчий енергетичний рівень та виділяє додаткову енергію випромінюючи нейтрон із енергією 17.59 MeV, що є суттєво більше ніж було потрібно для запуску реакції, що означає що реакція D-T синтезу є дуже екзотермічною, та є джерелом енергії.
Якщо ядра є частиною плазми поблизу стану теплової рівноваги, реакція синтезу називається термоядерним синтезом. Оскільки температура є мірою середньої кінетичної енергії часток, нагріваючи плазму можна надати ядрам достаню енергію для подолання бар'єру в 0.1 MeV. Перевівши eV в Кельвіни отримаємо температуру понад 1 GK, що очевидно є надзвичайно високою температурою.
Є однак два явища що дозволяють знизити потрібну температуру реакції. По-перше, температура відображає середню кінетичну енергію, що означає, що навіть при нижчих температурах ніж еквівалент 0.1 MeV частина ядер матиме енергію суттєво вищу ніж 0.1 MeV, решта матимуть енергію суттєво нижчу. По-друге, слід врахувати явище квантового тунелювання, коли ядра долають бар'єр Кулона маючи недостатньо енергії. Це дозволяє отримати (повільніші) реакції синтезу при нижчих температурах.
Важливим для розуміння реакції синтезу є поняття поперечного перетину реакції σ: міри ймовірності реакції синтезу як функції відносної швидкості двох взаємодіючих ядер. Для термоядерної реакції синтезу зручніше розглядати середнє значення розподілу добутку поперечного перетину на швидкість ядра
. Використовуючи його, можна записати швидкість реакції (злиття ядер на об'єм на час) як
Де n1 і n2 це щільність реактантів.
зростає від нуля при кімнатній температурі до значної величини вже при температурах 10 - 100 keV (при цій температурі компоненти реакції синтезу переходять в стан плазми). Детальніше див. Критерій Лоусона.
[ред.] Критерії для визначення потенційних реакцій синтезу на Землі
Щоб бути придатним для викорстання як джерело енергії, реакція синтезу повинна задовільняти наступним критеріям:
- ... бути екзотермічною.
- ... задіювати легкі елементи. Ця вимога дозволяє використовувати реактанти із найнижчим бар'єром Кулона.
- ... тільки два реактанти. Більша кількість можлива лишень при зоряних щільностях плазми.
- ... мати два продукти реакції. Це дозволяє одночасно зберігати енергію та момент.
- ... зберігати протони та нейтрони.
Кількість реакцій що задовольніють вказаним вимогам невелика, нижче наведені найцікавіші з них.
| (1) | D | + | T | → | 4He | (3.5 MeV) | + | n | (14.1 MeV) | |||||||
| (2) | D | + | D | → | T | (1.01 MeV) | + | p | (3.02 MeV) | (50%) | ||||||
| (3) | → | 3He | (0.82 MeV) | + | n | (2.45 MeV) | (50%) | |||||||||
| (4) | D | + | 3He | → | 4He | (3.6 MeV) | + | p | (14.7 MeV) | |||||||
| (5) | T | + | T | → | 4He | + | 2 | n | + 11.3 MeV | |||||||
| (6) | 3He | + | 3He | → | 4He | + | 2 | p | ||||||||
| (7) | 3He | + | T | → | 4He | + | p |   | + | n | + 12.1 MeV | (51%) | ||||
| (8) | → | 4He | (4.8 MeV) | + | D | (9.5 MeV) | (43%) | |||||||||
| (9) | → | 4He | (0.5 MeV) | + | n | (1.9 MeV) | + | p | (11.9 MeV) | (6%) | ||||||
| (10) | D | + | 6Li | → | 2 | 4He | + 22.4 MeV | |||||||||
| (11) | p | + | 6Li | → | 4He | (1.7 MeV) | + | 3He | (2.3 MeV) | |||||||
| (12) | 3He | + | 6Li | → | 2 | 4He | + | p | + 16.9 MeV | |||||||
| (13) | p | + | 11B | → | 3 | 4He | + 8.7 MeV |
p (протон), D (дейтерій), і T (тритій) це скорочення для трьох перших ізотопів водню.
Щоб оцінити придатність цих реакцій, на додаток до компонентів реакції та енергії що вивільняється, слід знати дещо про поперечний перетин. Кожен пристрій для синтезу матиме певне максимальне значення тиску плазми що він може витримати, та щоб бути економічно вигідним він працюватиме із значеннями цільності плазми близькими до максимально домустимих. При цьому тиску, максимальний вихід реакції буде отримано при температурі при якій значення <σv>/T² є максимальним. При такій температурі значення nTτ що потрібне для запалення (ignition) є мінімальним. Нижче наводяться значення оптимальної температури та <σv>/T² деяких реакцій наведених вище.
| пальне | T [keV] | <σv>/T² [m³/sec/keV²] |
|---|---|---|
| D-T | 13.6 | 1.24×10-24 |
| D-D | 15 | 1.28×10-26 |
| D-3He | 58 | 2.24×10-26 |
| p-6Li | 66 | 1.46×10-27 |
| p-11B | 123 | 3.01×10-27 |
Будь-яка із реакцій наведених вище могла б в принципі бути джерелом енергії синтезу. Однак окрім температури та поперечного перетину розглянутих вище, розглянемо також загальну енергію синтезу Efus, енергію заряджених часток Ech, та атомний номер Z не водневих реактантів.
| пальне | Z | Efus [MeV] | Ech [MeV] | нейтронність |
|---|---|---|---|---|
| D-T | 1 | 17.6 | 3.5 | 0.80 |
| D-D | 1 | 12.5 | 4.2 | 0.66 |
| D-3He | 2 | 18.3 | 18.3 | ~0.05 |
| p-11B | 5 | 8.7 | 8.7 | ~0.001 |
Остання колонка це нейтронність реакції, тобто яка частина енергії свиділяється у формі нейтронів. Це значення є важливим індикатором наскільки серйозними є проблеми пов'язані із нейтронним обпроміненням, такі як радіаціне пошкодження матепіалів, біологічний захист реактора, дистанційне обслуговування та безпека. Для перших двох реакцій вона обрахована за формулою (Efus-Ech)/Efus. Для двох останніх наведено приблизні значення випромінювання для побочних реакцій що продукують нейтрони, оскільки самі реакції їх не продукують.
Нарешті останнє порівняння параметрів реакцій.
| пальне | <σv>/T² | штраф/винагорода | реактивність | критерій Лоусона | щільність енергії |
|---|---|---|---|---|---|
| D-T | 1.24e-24 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| D-D | 1.28e-26 | 2 | 48 | 30 | 68 |
| D-3He | 2.24e-26 | 2/3 | 83 | 16 | 80 |
| p-11B | 3.01e-27 | 1/3 | 1240 | 500 | 2500 |
"Штраф/винагорода" стосуються неводневого та однокомпонентного пального. "Штраф" в розмірі (2/(Z+1)) для неводневих компонентів пального постає із факту що вони вимагають більше електронів, котрі створюють тиск але не беруть участі в реакції синтезу. Також є "винагорода" для D-D реакції, оскільки кожен іон в плазмі може вступати в реакцію із будь-яким іншим іоном (однокомпонентне пальне).
Максимальне значення <σv>/T² взято із попередньої таблиці. Значення в колонці "реактивність" отримується діленням (1.24e-24) на добуток другої та третьої колонок. Вона відображає співвідношення наскільки інші реакції відбуваються повільніше ніж D-T реакція при порівняльних умовах. Колонка "Критерій Лоусона" зважує ці резудбнати із Ech та слугує індикатором того, наскільки важче досягнути запалення із цими реакціями порівняльно із D-T реакцією. Остання колонка, "щільність енергії", зважує реактивність із Efus. Вона слугує вказівником того, наскільки нижча щільність енергії синтезу інших реакцій порівняльно із D-T реакцією, та може слугувати мірою економічного потенціалу.
[ред.] Дивись також
- Холодний синтез
- Мюон-каталітичний синтез


