Что такое ядерный синтез?

Ядерный синтез снабжает звезды энергией, позволяя им генерировать свет.

Звезды, как и наше Солнце, питаются ядерным синтезом. (Изображение предоставлено DrPixel/Getty Images)

• Ядерный синтез питает звезды
• Как ядерный синтез создает химические элементы?
• Спуск энергии ядерного синтеза на Землю
• Почему у нас еще нет термоядерных реакторов?
• Дополнительные ресурсы
• Библиография

Ядерный синтез — это процесс соединения двух легких атомных ядер и создания более тяжелого, при этом небольшое количество материи превращается в огромное количество энергии.

Именно ядерный синтез снабжает звезды, в том числе и Солнце, своей энергией, позволяя им генерировать свет. Подавляющее большинство энергии, которую получает Земля, исходит от Солнца, и без него сама жизнь на нашей планете была бы невозможна.

Эта энергия направлена ​​на нашу планету с того, что можно условно назвать поверхностью нашей звезды, фотосферой. Этот слой шара перегретой плазмы, который мы называем Солнцем, нагревается ядром звезды, где происходит большая часть ядерного синтеза. Этот источник энергии настолько вездесущ и так важен здесь, на Земле, что неудивительно, что физики отчаянно пытаются воспроизвести его в реакторах на нашей планете. Будущее, основанное на термоядерном синтезе, может означать, что растущие потребности человечества в энергии будут удовлетворяться за счет чистой и высокоэффективной термоядерной энергии.

Роберт Ли
Научный журналист

Роберт Ли имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании. Роберт сотрудничал с Space.com более десяти лет, его работы публиковались в журналах Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space и других изданиях.

Ядерный синтез питает звезды

Ключом к пониманию того, как термоядерный синтез генерирует энергию, является печально известное уравнение Альберта Эйнштейна, объясняющее, как энергия равняется массе, умноженной на квадрат скорости света (E=mc²).). Это говорит нам о том, что материя и энергия взаимозаменяемы, а термин с² говорит нам, что небольшая масса создает много энергии.

Когда частицы материи сливаются, частицы, участвующие в процессе, имеют немного большую массу, чем созданные дочерние частицы, при этом разница в массе «высвобождается» в виде энергии.

Даже при значительном выходе массы к энергии при синтезе каждый случай синтеза высвобождает лишь незначительное количество энергии.К счастью, звезды компенсируют это наличием большого количества сырья для термоядерного синтеза, и эти процессы происходят с невероятной скоростью.

Основным процессом синтеза, обеспечивающим большую часть солнечной энергии, является цепь протон-протон I (PPI). Есть еще две ветви цепи PP (II и III), но на них приходится только около 15 процентов термоядерного синтеза на Солнце.

Цепной процесс PPI включает в себя столкновение четырех атомов водорода и создание атома гелия, двух электронов, двух нейтрино и двух высокоэнергетических фотонов гамма-излучения.

(откроется в новой вкладке)

В то время как часть энергии уносится в виде кинетической энергии дочерней частицы, большая часть уносится двумя фотонами гамма-излучения. Однако эти фотоны будут бороться за то, чтобы вырваться из плотного недра звезды, и им потребуется более 30 000 лет, чтобы добраться от ядра до поверхности. В это время фотоны претерпевают ряд столкновений, поглощений и переизлучений, которые «понижают» их энергию до фотонов видимого света, в конечном итоге излучаемых фотосферой.

Каждое появление PPI излучает около 0,0000000000044 Дж, а это означает, что — игнорируя другой процесс синтеза, происходящий на Солнце — наша звезда должна завершать этот процесс примерно 9×10³⁷ (9 с последующими 37 нулями) раз в секунду, чтобы поддерживать свою светимость!

Если четыре грамма водорода превратить в гелий с помощью этого процесса, только 0,0028 грамма улетучится в виде энергии. Это соответствует примерно 260 миллиардам джоулей, достаточно энергии для питания 60-ваттной лампочки в течение примерно 100 лет.

Из-за огромного содержания водорода Солнце поддерживает эту скорость синтеза в течение примерно четырех с половиной миллиардов лет и будет продолжать делать это еще четыре с половиной миллиарда лет, пока водород в его центре не будет исчерпан.

Эту фазу ковки гелия, сжигающую водород, астрофизики называют временем жизни звезды на главной последовательности. Но гелий — не единственный химический элемент, выплавляемый на солнце.Когда и где звезды выковывают более тяжелые элементы?

Как ядерный синтез создает химические элементы?

Астрономы описывают звезды как содержащие водород, гелий и все остальное (с элементами тяжелее гелия, которые астрономы называют «металлами»), и эти другие элементы также играют роль в термоядерном синтезе.

Однако PPI не является основной реакцией синтеза в более массивных звездах, чем Солнце. Вместо этого большая часть энергии этих звезд поступает из цикла углерод-азот-кислород (CNO), для запуска которого требуются более высокие температуры более массивных звезд.

Цикл CN начинается с того, что ядро ​​атома углерода-12 использует его в качестве катализатора — элемента, который ускоряет реакцию, но остается неизменным в конце — для синтеза. Углерод-12 за счет захвата протона проходит различные этапы, пока не испускается атом гелия и не восстанавливается углерод-12. Цикл NO аналогичен, но использует азот-14 в качестве катализатора.

Энергия, генерируемая термоядерным синтезом, служит жизненно важной цели внутри звезд, обеспечивая внешнее давление, которое уравновешивает шар плазмы против внутренней силы гравитации. Это означает, что когда слияние прекращается, прекращается и внешнее давление; это приводит к коллапсу звезды, вздутию и потере ее внешних слоев.

Для звезд более массивных, чем Солнце, которое закончит свою жизнь как тлеющий белый карлик, этот гравитационный коллапс создает достаточное давление, чтобы вызвать ядерный синтез гелия, созданный временем жизни главной последовательности в его ядре, сплавляя его с образованием углерода, неона и кислород.

Когда гелий истощается, снова происходит коллапс, запускающий синтез еще более тяжелых элементов. По мере того как это продолжается, у звезды развивается луковичная структура, в которой более легкие элементы сливаются во внешних слоях, а затем более тяжелые элементы создаются ближе к ядру.

(откроется в новой вкладке)

Эта последовательность ядерных синтезов заканчивается даже для самых массивных звезд, когда железо преобладает в звездном ядре.Это связано с тем, что железо является чрезвычайно стабильным элементом, а звезды недостаточно массивны, чтобы вызвать его синтез.

Когда весь ядерный синтез прекращается, звезда подвергается окончательному и катастрофическому гравитационному коллапсу. Это запускает сверхновую, которая выбрасывает во Вселенную элементы, которые звезда выковала за время своей жизни.

Этот материал этих мертвых звезд становится строительным материалом для следующего поколения звезд, планет и всего вокруг нас, включая наши собственные человеческие тела.

Кроме того, ударные волны от сжимающегося железного ядра, которое в конечном итоге породит нейтронную звезду или даже черную дыру, ударяют по газу, выделяемому сверхновой, вызывая дальнейший ядерный синтез, создавая элементы тяжелее железа и радиоактивные материалы, а также испуская рентгеновское и гамма-излучение. -лучи.

Спуск энергии ядерного синтеза на Землю

Человечество не может доставить ядра звезд на Землю, поэтому следующий лучший способ — воспроизвести плотный газ плазмы, обнаруженный в сердце Солнца.

Устройства, предназначенные для этого здесь, на Земле, — термоядерные реакторы — называются токамаками. Токамаки часто также называют «искусственными солнцами» из-за того, что эти машины в форме пончиков воспроизводят процессы, происходящие на солнце.

(откроется в новой вкладке)

В настоящее время по всему миру работает более 200 токамаков, и научные достижения, достигнутые в этих устройствах, составляют дорожную карту для работы Международного термоядерного экспериментального реактора, или ИТЭР (opens in new tab), крупнейшего в мире термоядерного эксперимента, который строится в юг Франции.

Коммерческий токамак будет использовать тепловую энергию плазмы, нагретой термоядерным синтезом, для нагрева воды, создания пара и, в свою очередь, вращения турбины, вырабатывающей электричество.

Хотя синтез может включать множество химических элементов, ядерная реакция, которую большинство токамаков стремятся сделать жизнеспособной, представляет собой синтез тяжелых изотопов водорода дейтерия (с ядром из одного протона и одного нейтрона) и трития (один протон и два нейтрона). Слияние атомов этих элементов вместе создает нейтрон и ядро ​​гелия.

СВЯЗАННЫЕ ИСТОРИИ:

Одним из факторов, делающих термоядерный синтез таким многообещающим источником энергии, является тот факт, что дейтерий легко извлекается из обычной морской воды. Оценки Международного атомного агентства (МАГАТЭ) (opens in new tab), что из 0,26 галлона (одного литра) воды можно извлечь достаточно дейтерия, чтобы обеспечить столько же энергии, как при сгорании 79 галлонов (300 литров) нефти. Это означает, что в океанах содержится достаточно дейтерия, чтобы поддерживать потребности человечества в термоядерной энергии в течение миллионов лет.

С другой стороны, тритий можно получить из лития, которого также много в природе.

В дополнение к этому, основные побочные продукты термоядерного синтеза, нейтроны и гелий, не радиоактивны и, таким образом, не создают тех же проблем с утилизацией, что и побочный продукт ядерных установок деления, поскольку деление является почти зеркальным отражением синтеза, разрушая большие атомы. на более мелкие, часто радиоактивные атомы.

Побочные продукты термоядерного синтеза также не оказывают значительного воздействия на окружающую среду, в отличие от парниковых газов, образующихся при сжигании ископаемого топлива — основного фактора, способствующего антропогенному изменению климата.

Вопрос в том; если термоядерная энергия так хороша, почему у нас ее еще нет?

Почему у нас еще нет термоядерных реакторов?

Процессы синтеза нелегко воспроизвести здесь, на Земле, отчасти потому, что для преодоления отталкивания между положительно заряженными атомными ядрами водорода необходимы огромные силы гравитации внутри звезд.

Это невероятное гравитационное давление невозможно воспроизвести здесь, на Земле, поэтому вместо этого разработчики токамаков должны создавать термоядерный синтез в плазме при невероятно высоких температурах, намного превышающих температуры в центре Солнца, чтобы подгонять ядра достаточно близко для синтеза.

Целевая температура плазмы в токамаках составляет около 270 миллионов градусов по Фаренгейту (около 150 миллионов градусов по Цельсию). Это примерно в 100 раз выше температуры в ядре Солнца, около 27 миллионов градусов по Фаренгейту (15 миллионов градусов по Цельсию).

Текущий температурный рекорд токамака принадлежит китайскому токамаку EAST (opens in new tab), который в конце 2021 года смог генерировать плазму с температурой около 216 миллионов градусов по Фаренгейту (120 миллионов градусов по Цельсию) в течение 101 секунды. За это время плазма ненадолго достигла максимальной температуры около 288 миллионов градусов по Фаренгейту (160 миллионов градусов по Цельсию).

(откроется в новой вкладке)

Однако экстремальные температуры — не единственное, что токамаки должны генерировать, чтобы воспроизвести гравитационное влияние солнца. Необходимо удерживать перегретую плазму, и для этого токамаки используют невероятно мощные магнитные поля. В настоящее время для создания этих полей требуется больше энергии, чем ученые могут получить при термоядерном синтезе.

Рекорд по выработке термоядерной энергии здесь, на Земле, был установлен лабораторией Joint European Torus (JET) в Оксфордшире, Англия, в феврале 2022 года. чуть более пяти секунд (откроется в новой вкладке).

Любой токамак, стремящийся удовлетворить фактические потребности в энергии, должен будет поддерживать перегретую плазму в течение гораздо более длительных периодов времени, чем это, с основной целью — создать самоподдерживающуюся плазму.

Если все пойдет по плану, ИТЭР станет первым термоядерным реактором, производящим чистую энергию, что означает производство большего количества энергии, чем требуется для генерации перегретой плазмы и удержания ее в мощном магнитном поле.

Дополнительные ресурсы

Что такое токамаки, устройства, содержащие перегретую плазму для создания термоядерного синтеза? Подробнее читайте на веб-сайте Министерства энергетики США (открывается в новой вкладке).

Библиография

«Объяснения Министерства энергетики. Реакции ядерного синтеза (открывается в новой вкладке)». Управление науки Министерства энергетики США (2022 г.).

«Введение в Солнце и звезды (откроется в новой вкладке)». Джонс. М.Х. и зеленый. С. Ф. (2003). Издательство Кембриджского университета.

«Звездная эволюция и нуклеосинтез (открывается в новой вкладке)». Райан. С. Г. и Нортон. А.Дж. (2010). Издательство Кембриджского университета.

«60 лет прогресса (откроется в новой вкладке)». ИТЭР (2022 г.).

«Солнце и ядерный синтез (откроется в новой вкладке)». Университет Западного Вашингтона (2022 г.).

«Старые звезды (откроется в новой вкладке)». СТРЕМИТЕСЬ (2022).

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.com.