Вікіпедія

Ядерний синтез: відмінності між версіями

Інтерактивний перегляд історії
[неперевірена версія][перевірена версія]
← Попереднє редагуванняНаступне редагування →
Вилучено вміст Додано вміст
ВізуальнийВікірозмітка
Немає опису редагування
Рядок 5:
Для зближення атомних ядер на відстань, достатню для того, щоб почала діяти [[сильна взаємодія|сильна ядерна взаємодія]] і відбулася [[ядерна реакція]], потрібна деяка кількість енергії.
 
УЯкщо випадкуядро ядерелемента, елементів до заліза,утвореного внаслідок об'єднання двох ядер, ізбуде утворенням важчоголегшим ядра [[залізо|заліза]], то зазвичай виділяється значно більше енергії, ніж витрачається на подолання електростатичного відштовхування між ними. Завдяки цьому ядерний синтез — перспективне джерело енергії і є важливим напрямком досліджень сучасної науки і техніки.
 
Ядерний синтез є джерелом енергії в [[Зорі|зорях]] та застосовується у [[воднева бомба|водневих бомбах]].
Рядок 11:
== Процес реакції ядерного синтезу ==
 
В [[атом]]ному ядрі діють два типи взаємодії: [[сильна взаємодія]], що утримує [[протон]]и та [[нейтрон]]и разом та значно слабше електростатичне відштовхування між однаково зарядженими [[протон]]ами ядра, що намагається розірвати ядро. [[Сильна взаємодія]] проявляється лише на дуже коротких відстанях між [[протон]]ами та [[нейтрон]]ами, що безпосередньо межують один з одним. Це також означає, що протони та нейтрони на поверхні ядра утримуються слабше, ніж протони та нейтрони всередині ядра. Сила електростатичного відштовхування натомість діє на будь-яких відстанях та є обернено пропорційною квадрату відстані між зарядами, тобто кожен протон в ядрі взаємодіє з ''кожним'' іншим протоном в ядрі. Це призводить до того, що зі збільшенням розміру ядра сили, які утримують ядро, зростають до певного атомного номера (атом заліза), а потім починають слабшати. Починаючи з [[Уран (хімічний елемент)|уранбісмут]]у енергія зв'язку стає від'ємною{{Джерело?}}, іусі ядра важчихважких елементів стають нестабільниминестабільні.
 
=== Кулонівський бар'єр ===
Рядок 17:
Для здійснення реакції ядерного синтезу слід витратити певну енергію на подолання сили електростатичного відштовхування між двома атомними ядрами та звести їх на відстань, де починає діяти [[сильна взаємодія]]. Енергія, яка потрібна для подолання сили електростатичного відштовхування, називається кулонівським бар'єром.
 
Кулонівський бар'єр найнижчий для ізотопів водню, оскільки вони мають у ядрі лише один протон. Для суміші [[дейтерій|дейтерію]] та [[тритій|тритію]] результуючий енергетичний бар'єр становить 0,1 [[електрон-вольт|МеВ]]. Для порівняння, щоб позбавити атом водню його [[електрон]]а потрібно лише 13 [[еВ]], тобто в 7500 разів менше. Коли реакція синтезу завершується, нове ядро перебуває у збудженому стані та переходить на нижчий енергетичний рівень із виділенням енергії. Наприклад, у реакції між дейтерієм та тритієм утворюється ядро гелію та випромінюється нейтрон із енергією 17,59 MeV, що набагато більше, ніж потрібно для запускупочатку реакції. Тобто, реакція дейтерію та тритію проходитьвідбувається з вивільненням більшоїзначної кількості енергії, ніж потрібна на її ініціювання.
 
=== Термоядерна реакція ===
 
Якщо ядра є частиною [[Плазма (агрегатний стан)|плазми]] поблизу стану [[Теплова рівновага|теплової рівноваги]], реакція синтезу називається термоядерним синтезом. Оскільки [[температура]] згідно [[Кінетична теорія|кінетичній теорії]] є мірою середньої [[кінетична енергія|кінетичної енергії]] частинок, нагріваючи плазму можна надати ядрам достаню енергію, достатню для подолання кулонівського бар'єру.
 
ПеревівшиПереклавши 0,1 M[[еВ]] (енергетичне значення кулонівського бар'єру для D-Т реакції синтезу) у [[градус Кельвіна|градуси КельвінаКельвіни]] отримаємо температуру понад 1 ГК, що єце надзвичайно високоювисока температуроютемпература.
 
Є однак два явища, яківнаслідок дозволяютьяких знизитиядерні потрібнуреакції температурувідбуваються реакціїза значно нижчих температур. По-перше, температура відображає ''середню'' кінетичну енергію, тобто навіть за нижчих температур, нижчих ніж еквівалент 0,1 МеВ, частина ядер матиме енергію значно більшу за 0,1 МеВ, у той час як решта матиме меншу енергію. По-друге, слід врахувати явищевнаслідок квантового [[тунелювання]], коли ядра долаютьможуть долати бар'єр Кулона і за меншої енергії. [[Імовірність]] такої події невелика, однак це дозволяє отримати (повільніші) реакції синтезу за нижчих температур.
 
==== Мюонний каталіз ====▼
 
{{Main|Мюонний каталіз}}▼
 
Термоядерна реакція може бути істотно полегшена при введенні в реакційну суміш [[мюон]]ів.▼
 
Мюони μ<sup>-</sup> вступаючи у взаємодію з компонентами реакційної суміші утворюють мезомолекули, в яких відстань між ядрами атомів речовини дещо менше, що полегшує їх зближення і, крім того, підвищує ймовірність тунелювання ядер через кулонівський бар'єр.▼
 
Число реакцій синтезу, що ініціюється одним мюоном, обмежено величиною [[коефіцієнт прилипання мюона|коефіцієнта прилипання мюона]]. Експериментально вдалося отримати біля 100 реакцій на один мюон, тобто один мюон здатний вивільнити енергію ~ 100 × Х МеВ, де Х - енергетично вихід реакції що каталізується.▼
 
Поки величина звільняється енергії менше, ніж енергетичні витрати на отримання самого мюона (5-10 ГеВ). Таким чином, мюонний каталіз поки енергетично невигідний процес. Енергетично вигідний термоядерний синтез з використанням мюонного каталізу можливо при числі реакцій, що каталізуються одним мюоном близько ~ 10<sup>4</sup>.▼
 
==== Критерій Лоусона ====▼
 
{{Main|Критерій Лоусона}}▼
 
Важливим для розуміння реакції синтезу є поняття '''[[поперечний переріз реакції|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 <math>\langle \sigma v \rangle</math>. Використовуючи його, можна записати швидкість реакції (злиття ядер на об'єм на час) як▼
 
: <math>f = n_1 n_2 \langle \sigma v \rangle</math>▼
 
Де <math>n_1</math> і <math>n_2</math> це густина реактантів. <math>\langle \sigma v \rangle</math> зростає від нуля за кімнатної температури до значної величини вже за енергій 10 — 100 кеВ (такій енергії відповідають температури речовини порядку мільйонів [[градус Кельвіна|градусів Кельвіна]] при котрих компоненти реакційної суміші переходять в стан плазми).▼
 
== Ядерний синтез у зорях ==
Рядок 56 ⟶ 34:
Першою ланкою [[зоря]]ного нуклеосинтезу є реакція утворення α-частинки з чотирьох [[протон]]ів. Ця реакція забезпечує енергією усі зорі протягом близько 90% часу їх існування.
Наступною ланкою є [[потрійна альфа-реакція |потрійна α-реакція]] (утворення ядра вуглецю з трьох ядер гелію). Вона може відбуватися лише в зорях, маса яких перевищує 0,5 [[Маса Сонця|M☉]].
 
Ядро вуглецю може реагувати з протонами та α-частинками, завдяки чому утворюються різноманітні легкі ядра аж до заліза. Утворення ще важчих ядер відбувається у ядрах та оболонках масивних [[червоний гігант|червоних гігантів]] завдяки [[s-процес]]у.
 
== Штучний ядерний синтез ==
 
Процес ядерного синтезу штучно відтворюють уна різноманітному устаткуванні дляз науковихнауковою та прикладних цілейметою.
 
Найперший пристрій, у якому було отримано ядерний синтез - вакуумна камера з природним джерелом α-часток, яку використовувавзастосував [[Ернест Резерфорд]].
 
Пізніше було створено різноманітні [[Прискорювач_заряджених_частинок|прискорювачі заряджених часток]], ув яких також отримувалисявідбувалися ядерні реакції синтезу. На такому устаткуванні було отримано [[Штучно синтезовані хімічні елементи|штучно синтезовані хімічні елементи]] з атомними номерами більш ніжбільше 100<ref>[http://vkurse.ua/technology/rasshirili-tablicu-mendeleeva.html Физики расширили таблицу Менделеева до 122-го элемента]</ref>. У прискорювачах ядерний синтез відбувається за рахунок енергії електричного поля, що прискорює протони, α-часткичастинки або більш важківажчі іони.
 
Найперше практичне застосування реакції ядерного синтезу - [[воднева бомба]], де термоядерна реакція ініціюється вибухом [[ядерна бомба|ядерного запалу]].
 
Також використовуються так звані нейтронні фабрики - джерела [[нейтрон|нейтронів]]<ref>[http://www.femto.com.ua/articles/part_2/2444.html Энциклопедия физики и техники. Нейтронный генератор.]</ref>, що отримуються від реакцій синтезу завдяки енергії електричного поля. Зокрема, мініатюрні джерела нейтронів використовують як ініціатори для [[ядерна бомба|ядерних бомб]]. Подібним чином функціонують також [[Фузор Фарнсуорта-Хіша|фузори]] - мініатюрні реактори синтезу з [[інерційне утримання плазми|інерційним утриманням плазми]] іта споріднені з ними реактори типу "[[Полівелл]]". Фузори не розглядаютьсявважають як джерелоджерелом енергії і вони є предметом інтересу аматорів ядерної фізики, тоді як реактори системи "Полівелл" досліджуються як перспективне джерело енергії.
 
ВедутьсяЗдійснюються активні дослідження для створення пристроїв, що допомогли б здобувати [[термоядерна енергія|термоядерну енергію]]. Проте, небагато з сучасних термоядерних реакторів використовуютьсязастосовують безпосередньо для отримання термоядерної реакції. Більшість з таких пристроїв - моделі, що використовують водневу плазму, яка за своїми властивостями подібна до дейтерій-трітієвої. Найбільшим проектом термоядерної енергетики є міжнародний проект [[ITER]].
 
=== Ядерний синтезу у енергетиці ===
Рядок 76 ⟶ 56:
 
* … бути екзотермічною.
* … задіюватизадіяти легкі елементи. Ця вимога дозволяє використовувати реактанти ізз найнижчим кулонівським бар'єром, реакції між якими починаються за нижчої температури.
* … тільки два реактанти. БільшаРеакції кількістьз можливабільшою кількістю компонент можливі лише приза густинахзначної густини плазми, що існуютьіснує тільки в зіркахнадрах зір.
* … мати два продукти реакції. Це дозволяє одночасно задовільнити закони збереження енергії та імпульсу{{Джерело?}}.
* … зберігати протони та нейтрони{{Джерело?}}.
Рядок 141 ⟶ 121:
|}
 
p ([[протон]]), D ([[дейтерій]]), іта T ([[тритій]]) це- усталені позначення для трьох перших ізотопів водню.
 
Щоб оцінити придатність цих реакцій, окрім компонентів реакції та енергії, що вивільняється, слід знати дещо про [[поперечний перетин реакції]]. Кожен реактор синтезу здатнийздатен витримати певне максимальне значення тиску плазми, та щоб бути економічно вигідним він працюватиме із значеннями густинигустиною плазми, близькимищо доблизька максимальнодо допустимихмаксимальної. ПриЗа цьомутакого тиску максимальний вихід реакції буде отримано приза температурітемператури, коли значення <σv>/T² є максимальним. ПриЗа такійтакої температурітемператури значення ''nT''τ, потрібне для ''запалення'' ({{lang-en|ignition}}), є мінімальним. Нижче наводяться значення оптимальної температури та <σv>/T² деяких із наведених вище
реакцій.
реакціях.
 
{| border="1" cellpadding="5" align="center"
!пальне !! ''T'' [keV] !! <σv>/T² [m³/sec/keV²]
|-
|D-T || 13.,6 || 1.,24×10<sup>-24</sup>
|-
|D-D || 15 || 1.,28×10<sup>-26</sup>
|-
|D-{{sup|3}}He || 58 || 2.,24×10<sup>-26</sup>
|-
|p-{{sup|6}}Li || 66 || 1.,46×10<sup>-27</sup>
|-
|p-{{sup|11}}B || 123 || 3.,01×10<sup>-27</sup>
|}
 
Будь-яка із наведених вище реакцій могла б, впринципі, бути джерелом [[термоядерна енергія|енергії синтезу]]. Однак окрім температури та поперечного перетину розглянутих вище, розглянемо також загальну енергію синтезу ''E''<sub>fus</sub>, енергію заряджених часток ''E''<sub>ch</sub>, та атомний номер ''Z'' неводневих реактантів.
 
{| border="1" cellpadding="5" align="center"
!пальне !!''Z''!!''E''{{sub|fus}} [MeV]!!''E''{{sub|ch}} [MeV]!!нейтронність
|-
|D-T || 1 || 17.,6 || 3.,5 || 0.,80
|-
|D-D || 1 || 12.,5 || 4.,2 || 0.,66
|-
|D-<sup>3</sup>He || 2 || 18.,3 ||18.,3 || ~0.,05
|-
|p-<sup>11</sup>B || 5 || 8.,7 || 8.,7 || ~0.,001
|}
 
Останній стовпчик&nbsp;— це '''[[анейтронне пальне|нейтронність]]''' реакції, тобто та частина енергії, яка виділяєтьсявивільняється у формівигляді нейтронів. Це значення є важливим індикатором, наскількиоскільки серйозними є проблеми, пов'язані із нейтронним опроміненням, (такі як радіаціне пошкодження матеріалів, біологічний захист реактора, дистанційне обслуговування та безпека). Для перших двох реакцій вона обрахована за формулою (''E''{{sub|fus}}-''E''{{sub|ch}})/''E''{{sub|fus}}. Для двох останніх наведено приблизні значення випромінювання для побічних реакцій, що продукуютьутворюють нейтрони, оскільки самівласне реакціїреакція їх не продукуютьвиробляє.
 
▲==== Критерій Лоусона ====
Нарешті останнє порівняння параметрів реакцій.▼
 
▲{{Main|Критерій Лоусона}}
 
▲Важливим для розуміння реакції синтезу є поняття '''[[поперечний переріз реакції|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 <math>\langle \sigma v \rangle</math>. Використовуючи його, можна записати швидкість реакції (злиття ядер на об'єм на час) як
 
▲: <math>f = n_1 n_2 \langle \sigma v \rangle</math>
 
▲Де <math>n_1</math> і <math>n_2</math> це густина реактантів. <math>\langle \sigma v \rangle</math> зростає від нуля за кімнатної температури до значної величини вже за енергій 10 — 100 кеВ (такій енергії відповідають температури речовини порядку мільйонів [[градус Кельвіна|градусів Кельвіна]] при котрих компоненти реакційної суміші переходять в стан плазми).
 
▲Нарешті=== останнє порівнянняПорівняння параметрів реакцій. ===
{| border="1" cellpadding="5" align="center"
!пальне!!<σv>/T²!!штраф/винагорода!!реактивність!!критерій Лоусона!!густина енергії
|-
|D-T || 1.24e,24{{e|-24}} || 1 || 1 || 1 || 1
|-
|D-D || 1.28e,28{{e|-26}} || 2 || 48 || 30 || 68
|-
|D-<sup>3</sup>He || 2.24e,24{{e|-26}} || 2/3 || 83 || 16 || 80
|-
|p-<sup>11</sup>B || 3.01e,01{{e|-27}} || 1/3 || 1240 || 500 || 2500
|}
 
«Штраф/винагорода» стосуються неводневого та однокомпонентного пального. «Штраф» ву розмірі (2/(Z+1)) для неводневих компонентів пального постаєвипливає ізз того факту, що вониз вимагаютьтаких компонент утворюється більше електронів, котрі створюють тиск, але не беруть участі в реакції синтезу. Також є «винагорода» для D-D реакції, оскільки кожен йоніон ву плазмі може вступати в реакціювзаємодіяти ізз будь-яким іншим іоном (однокомпонентне пальне).
 
Максимальне значення <σv>/T² взято із попередньої таблиці. ЗначенняВеличину в колонці «реактивність» отримуєтьсяотримано діленням максимального перетину <σv>/T² (1.24e,24{{e|-24}}, з попередньої таблиці) на добуток другої та третьої колонок. Вона відображає співвідношенняозначає наскільки інші реакції відбуваються повільніше, ніж D-T реакція, за притих порівняльнихже умовахумов. Колонка «Критерій Лоусона» зважує ці результати із ''E''{{sub|ch}} та слугує індикатором того, наскільки важче досягнути запалення ізцих цимиреакцій реакціями порівняльно(порівняно із D-T реакцією). Остання колонка, «густина енергії», зважує реактивність із ''E''{{sub|fus}}. Вона слугує вказівником того, наскільки нижча густина енергії синтезу інших реакцій (порівняно із D-T реакцією,) та може слугувати мірою економічного потенціалу{{Джерело?}}.▼
▲==== Мюонний каталіз ====
 
▲{{Main|Мюонний каталіз}}
 
▲Термоядерна реакція може бути істотно полегшена приза введеннірахунок введення в реакційну суміш [[мюон]]ів.
 
▲Мюони μ<sup>-</sup> вступаючивступають у взаємодію з компонентами реакційної суміші та утворюють мезомолекули, в яких відстань між ядрами атомів речовини дещо менше, що полегшує їх зближення і, крім того,та підвищує ймовірність тунелювання ядер через кулонівський бар'єр.
 
▲ЧислоКількість реакцій синтезу, що ініціюється одним мюоном, обмежено величиною [[коефіцієнт прилипання мюона|коефіцієнта прилипання мюона]]. Експериментально вдалося отримати біляблизько 100 реакцій на один мюон, тобто один мюон здатний вивільнити енергію ~ 100 × Х МеВ, де Х - енергетичноенергетичний вихід реакції, що каталізується.
 
▲ПокиКількість величинаенергії, що таким чином звільняється, енергіїпоки що меншеменша, ніж енергетичні витрати на отримання самого мюона (5-10 ГеВ). Таким чином, мюонний каталіз поки енергетично невигідний процес. ЕнергетичноСинтез вигідний термоядерний синтез зіз використанням мюонного каталізу можливо пристане числіефективним, коли кількість реакцій, що каталізуються одним мюоном, становитиме близько ~ 10<sup>4</sup>{{Джерело?}}.
▲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 результати із ''E''{{sub|ch}} та слугує індикатором того, наскільки важче досягнути запалення із цими реакціями порівняльно із D-T реакцією. Остання колонка, «густина енергії», зважує реактивність із ''E''{{sub|fus}}. Вона слугує вказівником того, наскільки нижча густина енергії синтезу інших реакцій порівняно із D-T реакцією, та може слугувати мірою економічного потенціалу.
 
== Див. також ==
Отримано з https://uk.wikipedia.org/wiki/Ядерний_синтез