6.9: Ядерный синтез

Процесс превращения очень легких ядер в более тяжелые также сопровождается превращением массы в большое количество энергии, процесс, называемый синтезом. Основным источником энергии на Солнце является чистая реакция синтеза, в которой четыре ядра водорода сливаются и производят одно ядро ​​гелия и два позитрона. Это чистая реакция на более сложную серию событий:

Ядро гелия имеет массу, на 0,7% меньшую, чем у четырех ядер водорода; эта потерянная масса преобразуется в тепловую энергию во время синтеза по уравнению Эйнштейна (E=mc^2). Эта реакция дает около 3,6 × 10 11 кДж энергии на моль произведенного (ce). Это несколько больше, чем энергия ядерного деления одного моля (ceU>) (1,8 · 10 10 кДж), и более в 3 миллиона раз больше чем энергия, полученная при (химическом) сгорании одного моля октана ((Delta H = -5471, кДж)):

[2C_8H_ + 25O_2 стрелка вправо 16CO_2 + 18H_2O]

Установлено, что ядра тяжелых изотопов водорода — дейтрона (се) и тритона (се) подвергаются синтезу при чрезвычайно высоких температурах (термоядерный синтез). Они образуют ядро ​​гелия и нейтрон:

Это изменение происходит с потерей массы 0,0188 а.е.м., что соответствует высвобождению 1,69·10 9 кДж на моль образовавшегося (се). Очень высокая температура необходима, чтобы дать ядрам достаточную кинетическую энергию для преодоления очень сильных сил отталкивания, возникающих из-за положительных зарядов на их ядрах, чтобы они могли столкнуться.

Наиболее важным процессом синтеза в природе является тот, который приводит в действие звезды. В 20 веке стало понятно, что энергия, высвобождаемая в результате реакций ядерного синтеза, объясняет долговечность Солнца и других звезд как источника тепла и света. Слияние ядер в звезде, начиная с ее первоначального содержания водорода и гелия, обеспечивает эту энергию и синтезирует новые ядра как побочный продукт этого процесса слияния.Основным источником энергии на Солнце является синтез водорода с образованием гелия, который происходит при температуре ядра Солнца 14 миллионов кельвинов. Конечным результатом является слияние четырех протонов в одну альфа-частицу с высвобождением двух позитронов, двух нейтрино (что превращает два протона в нейтроны) и энергии (рис. (PageIndex)).

Рассчитайте энергию, выделяющуюся в каждом из следующих гипотетических процессов.

1. (ce_6C>)
2. (ce_6C>)
3. (ce_6C>)

1. Вопросa = 3 * 4,0026 — 12,000) а.е.м. * (1,4924E-10 Дж/а.е.м.)
   = 1,17E-12 Дж
2. Вопросb = (6*(1,007825 + 1,008665) — 12,00000) а.е.м. * (1,4924E-10 Дж/а.е.м.)
   = 1,476E-11 Дж
3. Вопросc = 6*2,014102 — 12,00000 а.е.м. * (1,4924E-10 Дж/а.е.м.)
   = 1,263E-11 Дж

Слияние He с получением C высвобождает наименьшее количество энергии, потому что слияние с образованием He высвобождает большое количество энергии. Разница между вторым и третьим заключается в энергии связи дейтерия. Сохранение массы и энергии хорошо иллюстрируется этими расчетами. С другой стороны, расчет основан на сохранении массы и энергии.

Ядерные реакторы

Полезные термоядерные реакции требуют для инициирования очень высоких температур — около 15 000 000 К и выше. При этих температурах все молекулы диссоциируют на атомы, а атомы ионизируются, образуя плазму. Эти условия возникают в чрезвычайно большом количестве мест по всей Вселенной — звезды питаются за счет синтеза. Люди уже придумали, как создавать температуры, достаточно высокие для осуществления крупномасштабного термоядерного синтеза в термоядерном оружии. Термоядерное оружие, такое как водородная бомба, содержит ядерную бомбу деления, которая при взрыве выделяет достаточно энергии для создания чрезвычайно высоких температур, необходимых для термоядерного синтеза.

Другой гораздо более выгодный способ создания термоядерных реакций — это термоядерный реактор, ядерный реактор, в котором контролируются термоядерные реакции легких ядер.Поскольку никакие твердые материалы не стабильны при таких высоких температурах, механические устройства не могут содержать плазму, в которой происходят реакции синтеза. Два метода сдерживания плазмы с плотностью и температурой, необходимыми для термоядерной реакции, в настоящее время находятся в центре внимания интенсивных исследований: сдерживание магнитным полем и использование сфокусированных лазерных лучей (рис. (PageIndex)). Ряд крупных проектов работает над достижением одной из самых больших целей в науке: заставить водородное топливо воспламеняться и производить больше энергии, чем количество, поставляемое для достижения чрезвычайно высоких температур и давлений, необходимых для термоядерного синтеза. На момент написания этой статьи в мире не было работающих самоподдерживающихся термоядерных реакторов, хотя небольшие управляемые термоядерные реакции проводились в течение очень коротких периодов времени.

Авторы

• Пол Флауэрс (Университет Северной Каролины — Пембрук), Клаус Теопольд (Университет Делавэра) и Ричард Лэнгли (Государственный университет Стивена Ф. Остина) с соавторами. Контент учебника, созданный OpenStax College, находится под лицензией Creative Commons Attribution License 4.0. Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/85abf193-2bd. a7ac8df6@9.110).

6.9: Nuclear Fusion распространяется по незадекларированной лицензии, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

1. Вернуться к вершине
2. • 6.8: Ядерное деление
   • 6.10: Ядерная химия (упражнения)

• Эта статья была полезной?
• Да
• Нет