Ядерний синтез

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Дейтерій-тритієва реакція синтезу вважається найбільш перспективною як джерело ядерної енергії

У фізиці, ядерний синтез — це процес, під час якого два атомних ядра об'єднуються, формуючи більше ядро та виділяючи енергію. Ядерний синтез є джерелом енергії в зірках та водневій бомбі.

Потрібна дуже значна кількість енергії для того, щоб зблизити ядра на віддаль, коли відбувається ядерна реакція, навіть для найлегшого елементу, водню. Але у випадку легких ядер внаслідок об'єднання двох ядер із утворенням важчого ядра виділяється значно більше енергії ніж затрачається на подолання кулонівського відштовхування між ними. Завдяки цьому ядерний синтез є дуже перспективним джерелом енергії.

Енергія, що виділяється в більшості ядерних реакцій набагато більша, ніж в хімічних реакціях, тому що енергія зв'язку частинок у ядрі разом набагато більша, ніж енергія, що утримує електрони в атомі. Наприклад, енергія іонізації, яка отримується при зв'язуванні електрона з протоном із утворенням атому водню, складає 13.6 електрон-вольт — менше ніж одну мільйонну від 17 МеВ що виділяються під час D-T реакції, описаної нижче.

[ред.] Передумови реакції синтезу

В атомному ядрі діють два різні типи взаємодії: сильна взаємодія, що утримує протони та нейтрони разом та значно слабше електростатичне відштовхування між однаково зарядженими протонами ядра, що намагається розірвати ядро. Сильна взаємодія проявляється лише на дуже коротких віддалях між протонами та нейтронами, 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 більших відстанях та є обернено пропорційною квадрату відстані між зарядами, що означає, що кожен протон в ядрі взаємодіє з кожним іншим протоном в ядрі. Це призводить до того, що із збільшенням розміру ядра сили, які утримують ядро зростають до певного атомного номера (атом заліза), а потім починають слабшати. Починаючи з урану сила зв'язку стає від'ємною, і ядра важчих елементів стають нестабільними.

Таким чином для здійснення реакції ядерного синтезу слід затратити певну енергію на подолання сили електростатичного відштовхування між двома атомними ядрами та звести їх на відстань, де починає проявлятися сильна взаємодія. Енергія, яка потрібна для подолання сили електростатичного відштовхування називається кулонівським бар'єром (Coulomb barrier).

Кулонівський бар'єр найнижчий для ізотопів водню, оскільки вони мають у ядрі лише один протон. Для D-T суміші, результуючий енергетичний бар'єр складає 0.1 МеВ. Для порівняння, щоб прибрати електрон із атому водню вимагається всього 13 eV, що в 7,500 разів менше. Коли реакція синтезу завершується, нове ядро переходить на нижчий енергетичний рівень та виділяє додаткову енергію випромінюючи нейтрон із енергією 17.59 MeV, що є суттєво більше ніж було потрібно для запуску реакції, що означає що реакція D-T синтезу є дуже екзотермічною, та є джерелом енергії.

Якщо ядра є частиною плазми поблизу стану теплової рівноваги, реакція синтезу називається термоядерним синтезом. Оскільки температура є мірою середньої кінетичної енергії часток, нагріваючи плазму можна надати ядрам достаню енергію для подолання бар'єру в 0.1 MeV. Перевівши eV в Кельвіни отримаємо температуру понад 1 GK, що очевидно є надзвичайно високою температурою.

Є однак два явища що дозволяють знизити потрібну температуру реакції. По-перше, температура відображає середню кінетичну енергію, що означає, що навіть при нижчих температурах ніж еквівалент 0.1 МеВ частина ядер матиме енергію суттєво вищу ніж 0.1 МеВ, решта матимуть енергію суттєво нижчу. По-друге, слід врахувати явище квантового тунелювання, коли ядра долають бар'єр Кулона маючи недостатньо енергії. Це дозволяє отримати (повільніші) реакції синтезу при нижчих температурах.

Важливим для розуміння реакції синтезу є поняття 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 $\langle \sigma v \rangle$ . Використовуючи його, можна записати швидкість реакції (злиття ядер на об'єм на час) як

$f = n_1 n_2 \langle \sigma v \rangle$

Де $n 1$ і $n 2$ це густина реактантів. $\langle \sigma v \rangle$ 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.

[ред.] Критерії для визначення потенційних реакцій синтезу на Землі

Щоб бути придатним для викорстання як джерело енергії, реакція синтезу повинна задовільняти наступним критеріям:

... бути екзотермічною.
... задіювати легкі елементи. Ця вимога дозволяє використовувати реактанти із найнижчим кулонівським бар'єром.
... тільки два реактанти. Більша кількість можлива лише при густинах плазми, що існують

в зірках.

... мати два продукти реакції. Це дозволяє одночасно задовільнити закони збереження енергії та імпульсу.
... зберігати протони та нейтрони.

Кількість реакцій що задовільняють вказаним вимогам невелика, нижче наведені найцікавіші з них.

(1)

→

⁴He

(3.5 MeV)

(14.1 MeV)

(2)

→

(1.01 MeV)

(3.02 MeV)

(50%)

(3)

→

³He

(0.82 MeV)

(2.45 MeV)

(50%)

(4)

³He

→

⁴He

(3.6 MeV)

(14.7 MeV)

(5)

→

⁴He

+ 11.3 MeV

(6)

³He

→

⁴He

(7)

³He

→

⁴He

&nbsp

+ 12.1 MeV

(51%)

(8)

→

⁴He

(4.8 MeV)

(9.5 MeV)

(43%)

(9)

→

⁴He

(0.5 MeV)

(1.9 MeV)

(11.9 MeV)

(6%)

(10)

⁶Li

→

⁴He

+ 22.4 MeV

(11)

⁶Li

→

⁴He

(1.7 MeV)

³He

(2.3 MeV)

(12)

³He

⁶Li

→

⁴He

+ 16.9 MeV

(13)

¹¹B

→

⁴He

+ 8.7 MeV

p (протон), D (дейтерій), і 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 здатний витримати певне максимальне значення тиску плазми, та щоб бути економічно вигідним він працюватиме із значеннями густини плазми близькими до максимально домустимих. При цьому тиску максимальний вихід реакції буде отримано при температурі, коли значення <σv>/T² є максимальним. При такій температурі значення nTτ, потрібне для запалення (ignition) є мінімальним. Нижче наводяться значення оптимальної температури та <σv>/T² деяких із наведених вище реакціях.

пальне	T [keV]	<σv>/T² [m³/sec/keV²]
D-T	13.6	1.24×10^-24
D-D	15	1.28×10^-26
D-³He	58	2.24×10^-26
p-⁶Li	66	1.46×10^-27
p-¹¹B	123	3.01×10^-27

Будь-яка із наведених вище реакцій могла б в принципі бути джерелом енергії синтезу. Однак окрім температури та поперечного перетину розглянутих вище, розглянемо також загальну енергію синтезу E_fus, енергію заряджених часток E_ch, та атомний номер Z неводневих реактантів.

пальне	Z	E^fus [MeV]	E^ch [MeV]	нейтронність
D-T	1	17.6	3.5	0.80
D-D	1	12.5	4.2	0.66
D-³He	2	18.3	18.3	~0.05
p-¹¹B	5	8.7	8.7	~0.001

Останній стобчик - це нейтронність реакції, тобто та частина енергії, яка виділяється у формі нейтронів. Це значення є важливим індикатором наскільки 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^fus-E^ch)/E^fus. Для двох останніх наведено приблизні значення випромінювання для побічних реакцій що продукують нейтрони, оскільки самі реакції їх не продукують.

Нарешті останнє порівняння параметрів реакцій.

пальне	<σv>/T²	штраф/винагорода	реактивність	критерій Лоусона	густина енергії
D-T	1.24e-24	1	1	1	1
D-D	1.28e-26	2	48	30	68
D-³He	2.24e-26	2/3	83	16	80
p-¹¹B	3.01e-27	1/3	1240	500	2500

"Штраф/винагорода" стосуються неводневого та однокомпонентного пального. "Штраф" в розмірі (2/(Z+1)) для неводневих компонентів пального постає із того факту, що вони вимагають більше електронів, котрі створюють тиск але не беруть участі в реакції синтезу. Також є "винагорода" для D-D реакції, оскільки кожен йон в плазмі може вступати в реакцію із будь-яким іншим іоном (однокомпонентне пальне).

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^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^fus. Вона слугує вказівником того, наскільки нижча густина енергії синтезу інших реакцій порівняно із D-T реакцією, та може слугувати мірою економічного потенціалу.