Ядерний синтез

Відео: Холодний ядерний синтез в живому організмі. Сергій Салль і Валерій Чудінов

ядерний синтез - це процес, в ході якого два атомних ядра об`єднуються, формуючи важче ядро. Зазвичай цей процес супроводжується виділенням енергії. Ядерний синтез є джерелом енергії в зірках і водневій бомбі.
Для зближення атомних ядер на відстань, достатню для того, щоб сталася ядерна реакція, навіть для найлегшого елементу, водню, потрібна дуже значна кількість енергії. Але, в разі легких ядер, в результаті об`єднання двох ядер з утворенням важчого ядра виділяється значно більше енергії, ніж йде на подолання кулонівського відштовхування між ними. Завдяки цьому ядерний синтез - дуже перспективне джерело енергії і є одним з основних напрямків дослідження сучасної науки.
Кількість енергії, що виділяється в більшості ядерних реакцій набагато більше, ніж в хімічних реакціях, так як енергія зв`язку нуклонів в ядрі значно більше, ніж енергії зв`язку електронів в атомі. Наприклад, енергія іонізації, яка виходить при зв`язуванні електрона з протоном з утворенням атома водню, становить 13.6 електрон-вольт - менше, ніж одну мільйонну від 17 МеВ, що виділяються при реакції дейтерію з тритієм, яка описана нижче.
В атомному ядрі діють два види зв`язку: сильна взаємодія, що утримує протони і нейтрони разом і значно слабкіше електростатичне відштовхування між однаково зарядженими протонами ядра, намагається розірвати ядро. Сильна взаємодія проявляється лише на дуже коротких відстанях між протонами і нейтронами, що безпосередньо межують одна з одною. Це також означає, що протони і нейтрони на поверхні ядра містяться слабкіше, ніж протони і нейтрони всередині ядра. Сила електростатичного відштовхування натомість діє на будь-яких відстанях і 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 урану енергія зв`язку стає негативною і ядра важких елементів стають нестабільними.
Таким чином для здійснення реакції ядерного синтезу необхідно затратити певну енергію на подолання сили електростатичного відштовхування між двома атомними ядрами і звести їх на відстань, де починає проявлятися сильна взаємодія. Енергія, необхідна для подолання сили електростатичного відштовхування, називається кулоновским бар`єром (Coulomb barrier).
Кулонівський бар`єр низький для ізотопів водню, оскільки вони мають в ядрі тільки один протон. Для DT суміші результуючий енергетичний бар`єр становить 0.1 МеВ. Для порівняння, щоб прибрати електрон з атома водню потрібно всього 13 еВ, що в 7500 разів менше. Коли реакція синтезу завершується, нове ядро переходить на більш низький енергетичний рівень і виділяє додаткову енергію, випромінюючи нейтрон з енергією 17.59 MeV, що істотно більше, ніж потрібно для запуску реакції. Тобто реакція DT синтезу дуже екзотермічної і є джерелом енергії.
Якщо ядра є частиною плазми поблизу стану теплової рівноваги, реакція синтезу називається термоядерним синтезом. Оскільки температура є мірою середньої кінетичної енергії частинок, нагрів плазму можна надати ядрам дістану енергію для подолання бар`єру в 0.1 MеВ. Перевівши еВ в Кельвіна отримаємо температуру понад 1 ГК, що є надзвичайно високою температурою.


Є однак два явища, які дозволяють знизити необхідну температуру реакції. По-перше, температура відображає середню кінетичну енергію, тобто навіть при низьких температурах, ніж еквівалент 0.1 МеВ, частина ядер матиме енергію істотно вище 0.1 МеВ, інші будуть мати енергію істотно нижче. По-друге, слід врахувати явище квантового тунелювання, коли ядра долають бар`єр Кулона, маючи недостатньо енергії. Це дозволяє отримати (повільні) реакції синтезу при низьких температурах.
Важливим для розуміння реакції синтезу є поняття поперечного перерізу реакції?: заходи ймовірності реакції синтезу як функції відносної швидкості двох взаємодіючих ядер. Для термоядерної реакції синтезу зручніше розглядати середнє значення розподілу твори поперечного перерізу на швидкість ядра . Використовуючи його, можна записати швидкість реакції (злиття ядер на об`єм на час) як





де n 1 і n 2 це щільність реагентів. зростає від нуля при кімнатній температурі до значної величини вже при температурах [10 - 100 кеВ (при цій температурі компоненти реакції синтезу переходять в стан плазми). Детальніше див. Критерій Лоусона.
Синтез ядер гелію з протонів є основну джерелом енергії для Сонця і менших зірок. Передумови ядерного синтезу повною мірою виконуються в надрах зірок, зокрема Сонця, продукуючи енергію віпроміняеться ними. Найважливішою є реакція освіти?-Частинки з чотирьох протонів.
Щоб служити для викорстання як джерело енергії, реакція синтезу повинна відповідати таким критеріям:
Кількість реакцій задовольняють зазначеним вимогам невелика, нижче наведені найбільш цікаві з них.
p (протон), D (дейтерій) і T (тритій) це усталені позначення для трьох перших ізотопів водню.
Щоб оцінити придатність цих реакцій, крім компонентів реакції і енергії, що вивільняється, слід знати трохи про поперечний переріз реакції. Кожен реактор синтезу здатний витримати певне максимальне значення тиску плазми, і щоб бути економічно вигідним він буде працювати зі значеннями щільності плазми близькими до максимально домустіміх. При цьому тиску максимальний вихід реакції буде отримано при температурі, коли значення

Увага, тільки СЬОГОДНІ!