0 просмотров

Термоядерная реакция

Ядерная реакция, которая объединяет маломассивные сталкивающиеся ядра в элементы средней массы и высвобождает при этом большое количество энергии. Ядерный синтез — очень важный процесс нуклеосинтеза элементов и производства энергии в звездах, водородной бомбе и, возможно, в термоядерных энергетических реакторах. См. Также: Водородная бомба; нуклеосинтез; Звездная эволюция

Синтез — это первичная ядерная реакция для ядер с менее примерно 60 нуклонами (протонами и нейтронами); то есть ядра, в которых энергия связи на нуклон обычно увеличивается с увеличением числа нуклонов (рис. 1). Смотрите также: Атомное ядро; ядерная реакция; Нуклон

Рис. 1 График зависимости энергии связи, приходящейся на нуклон атомного ядра, от атомной массы, числа нуклонов в ядре.

Энергия связи на нуклон

Чтобы поделиться с пользователями, которые подключены к той же сети, нажмите ссылку> ниже, чтобы скопировать URL-адрес страницы.

  1. Свяжитесь с [email protected], чтобы подтвердить, что ваша LMS была правильно настроена в нашей Системе управления подписками (не забудьте указать название вашего учебного заведения и ссылку на ваш курс LMS)
  2. Нажмите ссылку> ниже, чтобы скопировать URL-адрес страницы и вставить его в LMS.

Энергия, которую необходимо добавить, чтобы разбить ядро ​​на отдельные компоненты и которая равна энергии, высвобождаемой при образовании ядра, называется энергией связи. Сумма энергий связи ядер, вступающих в столкновение, за вычетом суммы энергий связи ядер, выходящих из столкновения, представляет собой энергию, выделяющуюся в реакции синтеза. Энергия связи обычно составляет несколько мегаэлектронвольт (МэВ) и примерно в 1000 раз больше, чем обычное выделение энергии при химической реакции. Смотрите также: Энергия связи ядер

Статья в тему:  Какое самое мощное ядерное оружие на сегодняшний день

Чем выше энергия связи ядра, тем больше вероятность образования ядра при столкновении. Благодаря этому процессу ядра с очень малой массой, такие как ядра водорода и гелия, которые образовались в первые 300 секунд существования Вселенной, объединяются, образуя ядра, содержащие до 60 нуклонов. Слияние является одним из основных процессов нуклеосинтеза элементов. См. Также: Теория большого взрыва; Вселенная

Процесс слияния не следует путать с делением, которое является первичной ядерной реакцией для ядер с более чем примерно 60 нуклонами, для которых энергия связи на нуклон обычно уменьшается с увеличением числа нуклонов (рис. 1). Реакции деления разбивают очень массивные ядра на более мелкие ядра — полная противоположность синтезу — при этом высвобождается энергия для атомных бомб, ядерных энергетических реакторов и ядерной медицины. Смотрите также: Ядерное деление

Реакцию синтеза также не следует путать с очень энергичными ядерными столкновениями в физических ускорителях высоких энергий, таких как Большой адронный коллайдер, в которых нуклоны распадаются на составляющие их кварки с образованием различных частиц.

Перспективы и вызовы термоядерной энергии

Поскольку первичное термоядерное топливо, дейтерий, практически неисчерпаемо содержится в морской воде (с содержанием 1 атома дейтерия на 6500 атомов водорода), экономически привлекательная термоядерная энергетическая система решит проблему истощения ископаемого топлива в виде химической энергии. источники. Соответствующее восстановление диоксида углерода ( CO2) выбросы также помогут смягчить проблему изменения климата, особенно если электромобили заменят автомобили с бензиновым двигателем на моторизованный транспорт. Отсутствие радиоактивных отходов реакции синтеза по сравнению с продуктами деления урана в современных ядерных реакторах является еще одним аргументом в пользу этого способа выработки электроэнергии. См. также: Модификация климата; дейтерий; Источники энергии; Атомная энергия; обращение с радиоактивными отходами; Утилизация отработавшего ядерного топлива

Статья в тему:  Сколько денег мы потратили на решение проблемы голода в мире

К сожалению, экономически привлекательное и социально приемлемое решение в области термоядерной энергии является очень сложной задачей. Тем не менее, текущая и ожидаемая доступность новых объектов беспрецедентного масштаба для традиционных подходов как к термоядерному синтезу с магнитным удержанием (рис. 2), так и к термоядерному синтезу с инерционным удержанием (рис. 3), а также инвестиции частного сектора в несколько инновационных подходов к термоядерному синтезу, обнадеживают. См. Также: Термоядерный синтез с инерционным удержанием; термоядерный синтез с магнитным удержанием; Катализируемый мюонами синтез

Рис. 2 Примеры двух наиболее известных типов термоядерных устройств с магнитным удержанием, токамака и стелларатора. ( а ) Схема токамака DIII-D. ( б ) Схема стелларатора W7-X.

Чтобы поделиться с пользователями, которые подключены к той же сети, нажмите ссылку> ниже, чтобы скопировать URL-адрес страницы.

  1. Свяжитесь с [email protected], чтобы подтвердить, что ваша LMS была правильно настроена в нашей Системе управления подписками (не забудьте указать название вашего учебного заведения и ссылку на ваш курс LMS)
  2. Нажмите ссылку> ниже, чтобы скопировать URL-адрес страницы и вставить его в LMS.

Инжир.3 Национальная установка зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), первая установка, предназначенная для зажигания капсулы термоядерного синтеза с инерционным удержанием (ICF) в лаборатории. Его драйвером является самый большой в мире лазер. Ультрафиолетовый свет мощностью 1,8 МДж (длина волны 351 нм от лазера на неодимовом стекле с утроенной частотой) генерируется с прецизионным формированием импульса в левом и правом лазерных отсеках и направляется в сферическую камеру-мишень в нижнем центре изображения. О масштабах объекта свидетельствует тот факт, что внутри здания НИФ могут поместиться три поля для американского футбола. (Источник: Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса)

Статья в тему:  Почему было бы плохо покончить с голодом в мире

Чтобы поделиться с пользователями, которые подключены к той же сети, нажмите ссылку> ниже, чтобы скопировать URL-адрес страницы.

  1. Свяжитесь с [email protected], чтобы подтвердить, что ваша LMS была правильно настроена в нашей Системе управления подписками (не забудьте указать название вашего учебного заведения и ссылку на ваш курс LMS)
  2. Нажмите ссылку> ниже, чтобы скопировать URL-адрес страницы и вставить его в LMS.

Свойства реакций синтеза

В реакции ядерного синтеза близкое столкновение двух богатых энергией ядер приводит к взаимной перестройке их нуклонов с образованием двух или более продуктов реакции вместе с выделением энергии. Энергия синтеза обычно проявляется в виде кинетической энергии продуктов реакции, хотя, если энергетически разрешено, часть энергии может быть воспринята как энергия возбужденного состояния ядра продукта. В отличие от реакций деления, вызванных нейтронами, положительно заряженные сталкивающиеся ядра в реакциях синтеза требуют значительной начальной относительной кинетической энергии для преодоления их взаимного электростатического отталкивания, чтобы ядра могли подойти достаточно близко для реакции. Эта необходимая относительная энергия увеличивается с увеличением заряда ядра Z , так что реакции между ядрами с низким Z легче всего осуществить.Наиболее известными из них являются реакции между тяжелыми изотопами водорода, которыми являются дейтерий (D) и тритий (T). Кроме того, продолжающееся отсутствие социально приемлемого метода захоронения радиоактивных отходов стимулировало новый интерес к более сложным реакциям синтеза, в которых используется дейтерий с гелием, содержащим только один нейтрон (D 3 He) и протоны (H) с бором (H 11 Б). Смотрите также: тритий

Статья в тему:  Как попасть в комнату Шона во время ядерной опции

Реакции синтеза были открыты в 1920-х годах, когда элементы с низким Z использовались в качестве мишеней и бомбардировались пучками энергичных протонов или дейтронов. Однако ядерная энергия, выделяемая при таких бомбардировках, всегда микроскопична по сравнению с энергией падающего луча. Это связано с тем, что большая часть энергии частицы пучка бесполезно рассеивается за счет ионизации и межчастичных столкновений в мишени; только небольшая часть сталкивающихся частиц действительно вызывает реакции.

Однако реакции ядерного синтеза могут быть самоподдерживающимися, если они осуществляются при очень высокой температуре. То есть, если термоядерное топливо существует в виде очень горячего ионизированного газа, состоящего из оборванных ядер и свободных электронов, называемого плазмой, энергия возбуждения ядер может преодолеть их взаимное отталкивание, вызывая реакции. Таков механизм генерации энергии в звездах и в термоядерной бомбе. Это также метод, предусмотренный для контролируемой генерации термоядерной энергии. См. Также: Плазма (физика)

Простые реакции

Сечения (эффективные площади столкновения) для многих простых реакций ядерного синтеза были измерены с высокой точностью. Обнаружено, что сечения обычно показывают широкие максимумы в зависимости от энергии и имеют пиковые значения в общем диапазоне от 0,01 барн (1 барн = 10 -28 м 2 ) до максимального значения 5 барн, для дейтерий-тритиевого реакция.Энергия, выделяющаяся в этих реакциях, может быть легко вычислена по разности масс начального и конечного ядер или определена прямым измерением.

Статья в тему:  Что такое ядерный перенос используется для апекса

Некоторые из важных термоядерных реакций для земного производства энергии, их продуктов реакции и выделения энергии задаются реакциями (1).

Энергия, выделяемая в химической реакции, такой как объединение водорода и кислорода с образованием молекулы воды, составляет около 1 эВ на реакцию, поэтому термоядерное топливо высвобождает в миллион раз больше энергии на грамм, чем обычное химическое топливо.

Две перечисленные альтернативные Д-Д-реакции протекают примерно с равной вероятностью при одинаковых относительных энергиях частиц. Тяжелые продукты реакции, тритий и гелий-3, также могут реагировать с выделением большого количества энергии. Таким образом, можно представить себе цепочку реакций, в которой шесть дейтронов превращаются в два ядра гелия-4, два протона и два нейтрона с общим выделением энергии 43 МэВ — около 100 000 кВтч энергии на грамм дейтерия. Это выделение энергии в несколько раз больше, чем выделяется на грамм при делении урана, и в несколько миллионов раз больше, чем выделяется на грамм при сгорании бензина.

Поперечные сечения

На рис. 4 представлены измеренные значения сечений в зависимости от энергии бомбардировки до 100 кэВ для полной реакции D–D (как D–D, n, так и D–D, p ), реакции D–T и D – 3 Он реагирует. Наиболее поразительной характеристикой этих кривых является их чрезвычайно быстрый спад с энергией, когда энергии бомбардировки падают до нескольких киловольт. Этот эффект возникает из-за взаимного электростатического отталкивания ядер, что препятствует их близкому сближению, если их относительная энергия мала. Смотрите также: Ядерная структура

Статья в тему:  Почему глобальное потепление может привести к гибели коралловых рифов

Рис. 4 Поперечные сечения в зависимости от энергии бомбардировки для трех простых реакций синтеза. (По RF Post, Fusion power, Sci. Amer., 197(6):73–84, декабрь 1957 г., DOI:10.1038/scientificamerican 1257-73)

Чтобы поделиться с пользователями, которые подключены к той же сети, нажмите ссылку> ниже, чтобы скопировать URL-адрес страницы.

  1. Свяжитесь с [email protected], чтобы подтвердить, что ваша LMS была правильно настроена в нашей Системе управления подписками (не забудьте указать название вашего учебного заведения и ссылку на ваш курс LMS)
  2. Нажмите ссылку> ниже, чтобы скопировать URL-адрес страницы и вставить его в LMS.

Тот факт, что реакции вообще могут протекать при этих энергиях, объясняется конечным диапазоном сил ядерного взаимодействия. В действительности граница ядра точно не определяется его классическим диаметром. Роль квантово-механических эффектов в реакциях ядерного синтеза рассматривалась Г. Гамовым и другими. Предсказывается, что сечения должны подчиняться экспоненциальному закону при низких энергиях. Это хорошо подтверждается в областях энергий, достаточно далеких от резонансов (например, ниже примерно 30 кэВ для реакции DT). В широком диапазоне энергий при низких энергиях данные для реакции D – D могут быть точно аппроксимированы кривой Гамова, результат для сечения дается уравнением. (2),

где энергия бомбардировки W выражена в килоэлектронвольтах; Кинетическая температура 1 кэВ = 11,6 миллиона градусов К.

Экстремальную энергетическую зависимость этого выражения можно оценить по тому факту, что между 1 и 10 кэВ предсказанное сечение изменяется примерно на 13 степеней 10, то есть от 2 × 10–46 до 1,5 × 10–33 м 2 .

Статья в тему:  Кто подписал договор о запрещении ядерных испытаний

Скорость реакции

При протекании ядерных термоядерных реакций в высокотемпературной плазме скорость реакции в единице объема зависит от плотности частиц n реагирующих частиц топлива и от усредненного произведения 〈 σv 〉, т. е. их взаимных сечений реакции σ, умноженных на их относительные скорость v, усредненная по распределениям скоростей частиц. Смотрите также: Термоядерная реакция

Для разнородных реагирующих ядер (таких как D и T) скорость реакции определяется уравнением. (3).

Для подобных реагирующих ядер (например, D и D) скорость реакции определяется уравнением. (4).

Оба выражения изменяются как квадрат полной плотности частиц (для данного состава топлива).

Если известны распределения частиц по скоростям, 〈 σv 〉 можно определить как функцию энергии путем численного интегрирования, используя известные сечения реакции. Обычно предполагается максвелловское распределение скоростей частиц, к которому все остальные стремятся в равновесии. Значения 〈σv〉 для реакций Д-Д и Д-Т показаны на рис. 5. На этом графике кинетическая температура дана в килоэлектронвольтах. Как и в случае самих сечений, наиболее поразительной особенностью этих кривых является их чрезвычайно быстрый спад с температурой при низких температурах. Например, хотя при 100 кэВ для всех реакций 〈σv〉 слабо зависит от температуры, при 1 кэВ оно изменяется как T 6,3 , а при 0,1 кэВ как T 133 . Также можно показать, что при самых низких температурах заметный вклад в скорость реакции будут вносить только частицы в «хвосте» распределения, имеющие большие по сравнению со средней энергии, причем зависимость σ от энергии имеет вид крайний.

Статья в тему:  Когда глобальное потепление начнет влиять на нас

Рис. 5 График зависимости 〈 σv 〉 от кинетической температуры для реакций Д-Д и Д-Т.

Чтобы поделиться с пользователями, которые подключены к той же сети, нажмите ссылку> ниже, чтобы скопировать URL-адрес страницы.

  1. Свяжитесь с [email protected], чтобы подтвердить, что ваша LMS была правильно настроена в нашей Системе управления подписками (не забудьте указать название вашего учебного заведения и ссылку на ваш курс LMS)
  2. Нажмите ссылку> ниже, чтобы скопировать URL-адрес страницы и вставить его в LMS.

Критические температуры

Реакция ядерного синтеза, очевидно, может быть самоподдерживающейся только в том случае, если скорость потери энергии реагирующим топливом не превышает скорость образования энергии в реакциях синтеза. Простейшим следствием этого факта является существование критических или идеальных температур воспламенения, ниже которых реакция не может поддерживаться даже в идеализированных условиях.В термоядерном реакторе идеальные или минимальные критические температуры определяются неизбежным выходом излучения из плазмы. Минимальным значением излучения, испускаемого любой плазмой, является излучение чистой водородной плазмы в виде рентгеновского или тормозного излучения. Таким образом, можно ожидать, что плазма, состоящая только из изотопов водорода и сопровождающих их электронов один к одному, будет обладать самыми низкими идеальными температурами воспламенения. Это действительно так: из сравнения скоростей выделения ядерной энергии с потерями на излучение можно показать, что критическая температура для реакции Д-Т составляет около 40 млн К. Для реакции Д-Д она примерно в 10 раз выше. . И скорость излучения, и ядерная мощность изменяются в зависимости от квадрата плотности частиц, поэтому эти критические температуры не зависят от плотности в интересующих диапазонах плотностей. Однако понятие критической температуры является весьма идеализированным, поскольку в любых реальных случаях следует ожидать дополнительных потерь, которые изменят ситуацию, повысив требуемую температуру.

голоса
Рейтинг статьи
Статья в тему:  Почему глобальное потепление вредно для окружающей среды?
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x