Azərbaycanca AzərbaycancaБеларускі БеларускіDansk DanskDeutsch DeutschEspañola EspañolaFrançais FrançaisIndonesia IndonesiaItaliana Italiana日本語 日本語Қазақ ҚазақLietuvos LietuvosNederlands NederlandsPortuguês PortuguêsРусский Русскийසිංහල සිංහලแบบไทย แบบไทยTürkçe TürkçeУкраїнська Українська中國人 中國人United State United StateAfrikaans Afrikaans
Підтримка
www.wikidata.uk-ua.nina.az

Я дерний си нтез це процес під час якого два або більше атомні ядра об єднуються формуючи важче ядро Дейтерій тритієва р

Термоядерна реакція

Термоядерна реакція

Я́дерний си́нтез — це процес, під час якого два, або більше, атомні ядра об'єднуються, формуючи важче ядро.

image
Дейтерій-тритієва реакція синтезу вважається найперспективнішою як джерело термоядерної енергії
image
Енергія зв'язку поширених ізотопів у розрахунку на один нуклон

Для зближення атомних ядер достатньо того, щоб почала діяти сильна ядерна взаємодія і відбулася ядерна реакція, потрібна деяка кількість енергії.

Пакувальний множник — дефект маси (різниця між масами складових ядра і його власною масою) у розрахунку на один нуклон, досягає максимуму для заліза. Таким чином, якщо при злитті двох ядер утворене ядро легше за ядро заліза, виділяється велика кількість енергії. Як можна бачити з графіку, енергія, що виділяється при цьому, навіть більша, ніж та, що може виділитися при розпаді ядра. Завдяки цьому ядерний синтез — перспективне джерело енергії, і є важливим напрямком досліджень сучасної науки і техніки.

Ядерний синтез є джерелом енергії в зорях та застосовується у водневих бомбах.

Процес реакції ядерного синтезу

В атомному ядрі діють два 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 відстанях 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 будь-яких відстанях та 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 (заліза), а потім починають слабшати. Починаючи з бісмуту усі ядра важких елементів нестабільні.

Кулонівський бар'єр

Для здійснення реакції ядерного синтезу слід витратити певну енергію на подолання сили електростатичного відштовхування між двома атомними ядрами та звести їх на відстань, де починає діяти сильна взаємодія. Енергія, яка потрібна для подолання сили електростатичного відштовхування, називається кулонівським бар'єром.

Кулонівський бар'єр найнижчий для ізотопів водню, оскільки вони мають у ядрі лише один протон. Для суміші дейтерію та тритію результуючий енергетичний бар'єр становить 0,1 МеВ. Для порівняння, щоб позбавити атом водню його електрона потрібно лише 13 еВ, тобто в 7500 разів менше. Коли реакція синтезу завершується, нове ядро перебуває у збудженому стані та переходить на нижчий енергетичний рівень із виділенням енергії. Наприклад, у реакції між дейтерієм та тритієм утворюється ядро гелію та випромінюється нейтрон із енергією 17,59 МеВ, що набагато більше, ніж потрібно для початку реакції. Тобто, реакція дейтерію та тритію відбувається з вивільненням значної кількості енергії.

Термоядерна реакція

Якщо ядра є частиною плазми поблизу стану теплової рівноваги, а реакція синтезу відбувається за рахунок кінетичної енергії термічного руху іонів плазми, то така реакція синтезу називається термоядерним синтезом. Оскільки температура згідно з кінетичною теорією є мірою середньої кінетичної енергії частинок, нагріваючи плазму можна надати ядрам енергію, достатню для подолання кулонівського бар'єру.

Переклавши 0,1 MеВ (енергетичне значення кулонівського бар'єру для D-Т реакції синтезу) у кельвіни отримаємо температуру понад 1 ГК, це надзвичайно висока температура.

Є однак два явища, внаслідок яких ядерні реакції відбуваються за значно нижчих температур. По-перше, температура відображає середню кінетичну енергію, тобто навіть за температур, нижчих ніж еквівалент 0,1 МеВ, частина ядер матиме енергію значно більшу за 0,1 МеВ, у той час як решта матиме меншу енергію. По-друге, внаслідок квантового тунелювання ядра можуть долати бар'єр Кулона і за меншої енергії. Імовірність такої події невелика, однак це дозволяє отримати (повільніші) реакції синтезу за нижчих температур.

Ядерний синтез у зорях

Докладніше: Нуклеосинтез
image
Протон-протонний ланцюжок є основним джерелом енергії для Сонця та менших зір.

Умови для ядерного синтезу повною мірою виникають у надрах зір, зокрема Сонця. Саме реакції ядерного синтезу виробляють енергію, що випромінюється зорями. Практично весь час, який зірка перебуває на головній послідовності, джерелом енергії в ній є перетворення водню на гелій.
Для зір із масою меншою за 1,2 M☉ це відбувається в процесі утворення α-частинки з чотирьох протонів, із вивільненням двох позитронів і двох нейтрино, із проміжним утворенням біпротону, дейтрону і гелію-3. Ця реакція називається протон-протонний ланцюжок, і є доволі повільною (типовий час існування вільного протона в сонячному ядрі складає мільярди років), але завдяки великій кількості водню в зорях ця реакція забезпечує енергією всі зорі протягом близько 90 % часу їх існування.

Для масивніших зір головним є так званий Вуглецево-азотний цикл (CNO-цикл), в якому ядра вуглецю, азоту й кисню виступають як каталізатори для перетворення чотирьох протонів на альфа-частинку.

Наступною ланкою є потрійна α-реакція (утворення ядра вуглецю з трьох ядер гелію). Вона може відбуватися лише за температури в сто мільйонів кельвінів, яка може бути досягнута лише в зорях, маса яких перевищує 0,5 M☉.

У масивних зорях далі послідовно відбуваються ядерне горіння вуглецю, неону, кисню і кремнію, у результаті якого утворюються ядра групи заліза.

Утворення ще важчих ядер відбувається у ядрах та оболонках масивних червоних гігантів завдяки процесу послідовного захоплення нейтронів та бета-розпаду нестійких ядер, що утворюються (s-процес).

Наймасивніші ядра (важчі Бісмуту) утворюються завдяки r-процесу, коли нестабільні ядра встигають захопити додаткові нейтрони до того, як зазнають бета-розпаду. Процес відбувається під час спалахів наднових або злиття нейтронних зір.

Внесок p-процесу в нуклеосинтез невеликий, але завдяки йому синтезуються так звані Обійдені ядра (порівняно багаті на протони ядра), що не можуть утворюватися в s-процесі або r-процесі.

Штучний ядерний синтез

Процес ядерного синтезу штучно відтворюють на різноманітному устаткуванні для наукових та технологічних цілей.

Найперший пристрій, у якому було отримано ядерний синтез — вакуумна камера з природним джерелом α-часток, яку застосував Ернест Резерфорд.

Пізніше було створено різноманітні прискорювачі заряджених часток, в яких також відбувалися ядерні реакції синтезу. На такому устаткуванні було отримано з атомними номерами понад 100. У прискорювачах ядерний синтез відбувається за рахунок енергії електричного поля, що прискорює протони, α-частинки або важчі іони.

Найперше практичне застосування реакції ядерного синтезу — воднева бомба, де термоядерна реакція ініціюється вибухом ядерного запалу.

Також використовуються так звані нейтронні фабрики — джерела нейтронів, що отримуються від реакцій синтезу завдяки енергії електричного поля. Зокрема, мініатюрні джерела нейтронів використовують як ініціатори для ядерних бомб. Подібним чином функціонують також фузори — мініатюрні реактори синтезу з інерційним утриманням плазми та споріднені з ними реактори типу «Полівелл». Фузори не вважають перспективними, як джерело енергії, і вони є предметом інтересу аматорів ядерної фізики, тоді як реактори системи «Полівелл» досліджуються як перспективне джерело енергії.

Здійснюються активні дослідження для створення пристроїв, що допомогли б здобувати термоядерну енергію. Проте небагато сучасних термоядерних реакторів застосовують безпосередньо для отримання термоядерної реакції. Більшість з таких пристроїв — моделі, що використовують водневу плазму, яка за своїми властивостями подібна до дейтерій-тритієвої. Найбільшим проєктом термоядерної енергетики є міжнародний проєкт Міжнародного експериментального термоядерного реактора (ITER).

У 2015 р. німецькі вчені з Інституту плазменої фізики Макса Планка (Max Planck Institute for Plasma Physics) досягли стійкої термоядерної реакції з перевищенням виділеної енергії над затраченою. Для цього використано стеларатор.

Ядерний синтез у енергетиці

Щоб бути придатною для використання як джерело енергії, реакція синтезу має задовольняти наступним критеріям:

  • … бути екзотермічною.
  • … задіяти легкі елементи. Ця вимога дозволяє використовувати реактанти з найнижчим кулонівським бар'єром, реакції між якими починаються за нижчої температури.
  • … тільки два реактанти. Реакції з більшою кількістю компонент можливі лише за значної густини плазми, що існує тільки в надрах зір.
  • … мати два продукти реакції. Це дозволяє одночасно задовольнити закони збереження енергії та імпульсу[].
  • … зберігати протони та нейтрони[].

Кількість реакцій, які задовольняють зазначеним вимогам, невелика, нижче наведено найцікавіші з них.

(1) D + T →   4He (3.5 MeV) +   n (14.1 MeV)  
(2) D + D →   T (1.01 MeV) +   p (3.02 MeV)         (50 %)
(3)       →   3He (0.82 MeV) +   n (2.45 MeV)         (50 %)
(4) D + 3He →   4He (3.6 MeV) +   p (14.7 MeV)
(5) T + T →   4He   + 2  n + 11.3 MeV
(6) 3He + 3He →   4He   + 2  p  
(7) 3He + T →   4He   +   p   + n + 12.1 MeV   (51 %)
(8)       →   4He (4.8 MeV) +   D (9.5 MeV)         (43 %)
(9)       →   4He (0.5 MeV) +   n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV)   (6 %)
(10) D + 6Li → 2  4He + 22.4 MeV
(11) p + 6Li →   4He (1.7 MeV) +   3He (2.3 MeV)
(12) 3He + 6Li → 2  4He   +   p + 16.9 MeV
(13) p + 11B → 3  4He + 8.7 MeV

p (протон), D (дейтерій) та T (тритій) — усталені позначення для трьох ізотопів водню.

Щоб оцінити придатність цих реакцій, окрім компонентів реакції та енергії, що вивільняється, слід знати поперечний перетин реакції. Кожен реактор синтезу здатен витримати певне максимальне значення тиску плазми, та щоб бути економічно вигідним він працюватиме із густиною плазми, що близька до максимальної. За такого тиску максимальний вихід реакції буде отримано за температури, коли значення <σv>/T² є максимальним. За такої температури значення nTτ, потрібне для запалення (англ. ignition), є мінімальним. Нижче наводяться значення оптимальної температури та <σv>/T² деяких із наведених вище реакцій.

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 бути джерелом енергії синтезу. Однак окрім температури та поперечного перетину розглянемо також загальну енергію синтезу Efus, енергію заряджених часток Ech, та атомний номер Z неводневих реактантів.

пальне Z Efus [MeV] Ech [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 стовпчик — це реакції, тобто та частина енергії, яка вивільняється у вигляді нейтронів. Це значення є важливим індикатором, оскільки 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 (Efus-Ech)/Efus. Для двох останніх наведено приблизні значення випромінювання для побічних реакцій, що утворюють нейтрони, оскільки власне реакція їх не виробляє.

Критерій Лоусона

Докладніше: Критерій Лоусона

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 image. Використовуючи його, можна записати швидкість реакції (злиття ядер на об'єм на час) як

image

Де image і image це густина реактантів. image зростає від нуля за кімнатної температури до значної величини вже за енергій 10—100 кеВ (такій енергії відповідають температури речовини порядку мільйонів градусів Кельвіна при котрих компоненти реакційної суміші переходять в стан плазми).

Порівняння параметрів реакцій

пальне <σv>/T² штраф/винагорода реактивність критерій Лоусона густина енергії
D-T 1,24× 10-24 1 1 1 1
D-D 1,28× 10-26 2 48 30 68
D-3He 2,24× 10-26 2/3 83 16 80
p-11B 3,01× 10-27 1/3 1240 500 2500

«Штраф/винагорода» стосуються неводневого та однокомпонентного пального. «Штраф» у розмірі (2/(Z+1)) для неводневих компонентів пального випливає з того факту, що з таких компонент утворюється більше електронів, котрі створюють тиск, але не беруть участі в реакції синтезу. Також є «винагорода» для D-D реакції, оскільки кожен іон у плазмі може взаємодіяти з будь-яким іншим іоном (однокомпонентне пальне).

Величину в колонці «реактивність» отримано діленням максимального перетину <σv>/T² (1,24× 10-24, з попередньої таблиці) на добуток другої та третьої колонок. Вона означає наскільки інші реакції відбуваються повільніше, ніж D-T реакція, за тих же умов. Колонка «Критерій Лоусона» зважує ці результати із Ech та слугує індикатором того, наскільки важче досягнути запалення цих реакцій (порівняно із D-T реакцією). Остання колонка, «густина енергії», зважує реактивність із Efus. Вона слугує вказівником того, наскільки нижча густина енергії синтезу (порівняно із D-T реакцією) та може слугувати мірою економічного потенціалу[].

Мюонний каталіз

Докладніше: Мюонний каталіз
image Зовнішні відеофайли
image 1. Як працює низькотемпературний ядерний синтез // Канал «Цікава наука» на YouTube, 4 листопада 2020.

Термоядерна реакція може бути істотно полегшена за рахунок введення в реакційну суміш мюонів. Електричний заряд мюону є рівним заряду електрону, але його маса є у 207 разів більшою. Через це, мюон може утворювати з ядром систему, подібну до атому, але обертається навколо нього по орбіті у 207 разів меншого радіуса. Мезоатом, як і звичайний атом, електрично нейтральний. Завдяки цьому, два мюонних атоми можуть наблизитися один до одного значно ближче, ніж електронний, не зазнаючи дії кулонівських сил, на відстань порядку 5·10−13 м, утворюючи мезомолекулу. А завдяки тому, що мюонна молекула весь час перебуває у стані теплових коливань, ця відстань є не постійною, і у деякі моменти ядра стають ще ближчими один до одного. Достатньо близькими для того, щоб завдяки тунельному переходу між ядрами могла достатньо швидко (за 10−12 с) відбутись ядерна реакція.

Після злиття ядер, мюони вивільняються і можуть приєднатися до інших ядер — саме тому цей процес називають каталізом. Таким чином, теоретично одна частинка може забезпечити тисячі реакцій — їх число обмежене лише часом життя самого мюона (2,2·10−6 с). На практиці, мюони досить швидко «прилипають» до ядер атомів гелію, що утворюються в результаті реакції — відбувається отруєння каталізатору. Ймовірність такого прилипання у конкретній реакції позначають як image. У експериментах з мюонного каталізу вдалося досягти показників у 100 реакцій злиття на один мюон. Енергія, що виділяється при цьому є нижчою ніж енергетичні витрати на отримання самого мюона, тобто, джерелом енергії поки що такий процес служити не може.

Див. також

Примітки

  1. . Архів оригіналу за 4 травня 2015. Процитовано 9 травня 2012.
  2. Энциклопедия физики и техники. Нейтронный генератор.
  3. . Архів оригіналу за 21 травня 2012. Процитовано 22 травня 2012.
  4. Twisting design of fusion reactor is thanks to supercomputers (англ.). 14 квітня 2016.
  5. мюонный катализ(рос.)

Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет

Ya dernij si ntez ce proces pid chas yakogo dva abo bilshe atomni yadra ob yednuyutsya formuyuchi vazhche yadro Dejterij tritiyeva reakciya sintezu vvazhayetsya najperspektivnishoyu yak dzherelo termoyadernoyi energiyi Energiya zv yazku poshirenih izotopiv u rozrahunku na odin nuklon Dlya zblizhennya atomnih yader dostatno togo shob pochala diyati silna yaderna vzayemodiya i vidbulasya yaderna reakciya potribna deyaka kilkist energiyi Pakuvalnij mnozhnik defekt masi riznicya mizh masami skladovih yadra i jogo vlasnoyu masoyu u rozrahunku na odin nuklon dosyagaye maksimumu dlya zaliza Takim chinom yaksho pri zlitti dvoh yader utvorene yadro legshe za yadro zaliza vidilyayetsya velika kilkist energiyi Yak mozhna bachiti z grafiku energiya sho vidilyayetsya pri comu navit bilsha nizh ta sho mozhe vidilitisya pri rozpadi yadra Zavdyaki comu yadernij sintez perspektivne dzherelo energiyi i ye vazhlivim napryamkom doslidzhen suchasnoyi nauki i tehniki Yadernij sintez ye dzherelom energiyi v zoryah ta zastosovuyetsya u vodnevih bombah Proces reakciyi yadernogo sintezuV atomnomu yadri diyut dva tipi vzayemodiyi silna vzayemodiya sho utrimuye protoni ta nejtroni razom ta znachno slabshe elektrostatichne vidshtovhuvannya mizh odnakovo zaryadzhenimi protonami yadra sho namagayetsya rozirvati yadro Silna vzayemodiya proyavlyayetsya lishe na duzhe korotkih vidstanyah mizh protonami ta nejtronami sho bezposeredno mezhuyut odin z odnim Ce takozh oznachaye sho protoni ta nejtroni na poverhni yadra utrimuyutsya slabshe nizh protoni ta nejtroni vseredini yadra Sila elektrostatichnogo vidshtovhuvannya natomist diye na bud yakih vidstanyah ta ye oberneno proporcijnoyu kvadratu vidstani mizh zaryadami tobto kozhen proton v yadri vzayemodiye z kozhnim inshim protonom v yadri Ce prizvodit do togo sho zi zbilshennyam rozmiru yadra sili yaki utrimuyut yadro zrostayut do pevnogo atomnogo nomera zaliza a potim pochinayut slabshati Pochinayuchi z bismutu usi yadra vazhkih elementiv nestabilni Kulonivskij bar yer Dlya zdijsnennya reakciyi yadernogo sintezu slid vitratiti pevnu energiyu na podolannya sili elektrostatichnogo vidshtovhuvannya mizh dvoma atomnimi yadrami ta zvesti yih na vidstan de pochinaye diyati silna vzayemodiya Energiya yaka potribna dlya podolannya sili elektrostatichnogo vidshtovhuvannya nazivayetsya kulonivskim bar yerom Kulonivskij bar yer najnizhchij dlya izotopiv vodnyu oskilki voni mayut u yadri lishe odin proton Dlya sumishi dejteriyu ta tritiyu rezultuyuchij energetichnij bar yer stanovit 0 1 MeV Dlya porivnyannya shob pozbaviti atom vodnyu jogo elektrona potribno lishe 13 eV tobto v 7500 raziv menshe Koli reakciya sintezu zavershuyetsya nove yadro perebuvaye u zbudzhenomu stani ta perehodit na nizhchij energetichnij riven iz vidilennyam energiyi Napriklad u reakciyi mizh dejteriyem ta tritiyem utvoryuyetsya yadro geliyu ta viprominyuyetsya nejtron iz energiyeyu 17 59 MeV sho nabagato bilshe nizh potribno dlya pochatku reakciyi Tobto reakciya dejteriyu ta tritiyu vidbuvayetsya z vivilnennyam znachnoyi kilkosti energiyi Termoyaderna reakciya Yaksho yadra ye chastinoyu plazmi poblizu stanu teplovoyi rivnovagi a reakciya sintezu vidbuvayetsya za rahunok kinetichnoyi energiyi termichnogo ruhu ioniv plazmi to taka reakciya sintezu nazivayetsya termoyadernim sintezom Oskilki temperatura zgidno z kinetichnoyu teoriyeyu ye miroyu serednoyi kinetichnoyi energiyi chastinok nagrivayuchi plazmu mozhna nadati yadram energiyu dostatnyu dlya podolannya kulonivskogo bar yeru Pereklavshi 0 1 MeV energetichne znachennya kulonivskogo bar yeru dlya D T reakciyi sintezu u kelvini otrimayemo temperaturu ponad 1 GK ce nadzvichajno visoka temperatura Ye odnak dva yavisha vnaslidok yakih yaderni reakciyi vidbuvayutsya za znachno nizhchih temperatur Po pershe temperatura vidobrazhaye serednyu kinetichnu energiyu tobto navit za temperatur nizhchih nizh ekvivalent 0 1 MeV chastina yader matime energiyu znachno bilshu za 0 1 MeV u toj chas yak reshta matime menshu energiyu Po druge vnaslidok kvantovogo tunelyuvannya yadra mozhut dolati bar yer Kulona i za menshoyi energiyi Imovirnist takoyi podiyi nevelika odnak ce dozvolyaye otrimati povilnishi reakciyi sintezu za nizhchih temperatur Yadernij sintez u zoryahDokladnishe Nukleosintez Proton protonnij lancyuzhok ye osnovnim dzherelom energiyi dlya Soncya ta menshih zir Umovi dlya yadernogo sintezu povnoyu miroyu vinikayut u nadrah zir zokrema Soncya Same reakciyi yadernogo sintezu viroblyayut energiyu sho viprominyuyetsya zoryami Praktichno ves chas yakij zirka perebuvaye na golovnij poslidovnosti dzherelom energiyi v nij ye peretvorennya vodnyu na gelij Dlya zir iz masoyu menshoyu za 1 2 M ce vidbuvayetsya v procesi utvorennya a chastinki z chotiroh protoniv iz vivilnennyam dvoh pozitroniv i dvoh nejtrino iz promizhnim utvorennyam biprotonu dejtronu i geliyu 3 Cya reakciya nazivayetsya proton protonnij lancyuzhok i ye dovoli povilnoyu tipovij chas isnuvannya vilnogo protona v sonyachnomu yadri skladaye milyardi rokiv ale zavdyaki velikij kilkosti vodnyu v zoryah cya reakciya zabezpechuye energiyeyu vsi zori protyagom blizko 90 chasu yih isnuvannya Dlya masivnishih zir golovnim ye tak zvanij Vuglecevo azotnij cikl CNO cikl v yakomu yadra vuglecyu azotu j kisnyu vistupayut yak katalizatori dlya peretvorennya chotiroh protoniv na alfa chastinku Nastupnoyu lankoyu ye potrijna a reakciya utvorennya yadra vuglecyu z troh yader geliyu Vona mozhe vidbuvatisya lishe za temperaturi v sto miljoniv kelviniv yaka mozhe buti dosyagnuta lishe v zoryah masa yakih perevishuye 0 5 M U masivnih zoryah dali poslidovno vidbuvayutsya yaderne gorinnya vuglecyu neonu kisnyu i kremniyu u rezultati yakogo utvoryuyutsya yadra grupi zaliza Utvorennya she vazhchih yader vidbuvayetsya u yadrah ta obolonkah masivnih chervonih gigantiv zavdyaki procesu poslidovnogo zahoplennya nejtroniv ta beta rozpadu nestijkih yader sho utvoryuyutsya s proces Najmasivnishi yadra vazhchi Bismutu utvoryuyutsya zavdyaki r procesu koli nestabilni yadra vstigayut zahopiti dodatkovi nejtroni do togo yak zaznayut beta rozpadu Proces vidbuvayetsya pid chas spalahiv nadnovih abo zlittya nejtronnih zir Vnesok p procesu v nukleosintez nevelikij ale zavdyaki jomu sintezuyutsya tak zvani Obijdeni yadra porivnyano bagati na protoni yadra sho ne mozhut utvoryuvatisya v s procesi abo r procesi Shtuchnij yadernij sintezProces yadernogo sintezu shtuchno vidtvoryuyut na riznomanitnomu ustatkuvanni dlya naukovih ta tehnologichnih cilej Najpershij pristrij u yakomu bulo otrimano yadernij sintez vakuumna kamera z prirodnim dzherelom a chastok yaku zastosuvav Ernest Rezerford Piznishe bulo stvoreno riznomanitni priskoryuvachi zaryadzhenih chastok v yakih takozh vidbuvalisya yaderni reakciyi sintezu Na takomu ustatkuvanni bulo otrimano z atomnimi nomerami ponad 100 U priskoryuvachah yadernij sintez vidbuvayetsya za rahunok energiyi elektrichnogo polya sho priskoryuye protoni a chastinki abo vazhchi ioni Najpershe praktichne zastosuvannya reakciyi yadernogo sintezu vodneva bomba de termoyaderna reakciya iniciyuyetsya vibuhom yadernogo zapalu Takozh vikoristovuyutsya tak zvani nejtronni fabriki dzherela nejtroniv sho otrimuyutsya vid reakcij sintezu zavdyaki energiyi elektrichnogo polya Zokrema miniatyurni dzherela nejtroniv vikoristovuyut yak iniciatori dlya yadernih bomb Podibnim chinom funkcionuyut takozh fuzori miniatyurni reaktori sintezu z inercijnim utrimannyam plazmi ta sporidneni z nimi reaktori tipu Polivell Fuzori ne vvazhayut perspektivnimi yak dzherelo energiyi i voni ye predmetom interesu amatoriv yadernoyi fiziki todi yak reaktori sistemi Polivell doslidzhuyutsya yak perspektivne dzherelo energiyi Zdijsnyuyutsya aktivni doslidzhennya dlya stvorennya pristroyiv sho dopomogli b zdobuvati termoyadernu energiyu Prote nebagato suchasnih termoyadernih reaktoriv zastosovuyut bezposeredno dlya otrimannya termoyadernoyi reakciyi Bilshist z takih pristroyiv modeli sho vikoristovuyut vodnevu plazmu yaka za svoyimi vlastivostyami podibna do dejterij tritiyevoyi Najbilshim proyektom termoyadernoyi energetiki ye mizhnarodnij proyekt Mizhnarodnogo eksperimentalnogo termoyadernogo reaktora ITER U 2015 r nimecki vcheni z Institutu plazmenoyi fiziki Maksa Planka Max Planck Institute for Plasma Physics dosyagli stijkoyi termoyadernoyi reakciyi z perevishennyam vidilenoyi energiyi nad zatrachenoyu Dlya cogo vikoristano stelarator Yadernij sintez u energetici Shob buti pridatnoyu dlya vikoristannya yak dzherelo energiyi reakciya sintezu maye zadovolnyati nastupnim kriteriyam buti ekzotermichnoyu zadiyati legki elementi Cya vimoga dozvolyaye vikoristovuvati reaktanti z najnizhchim kulonivskim bar yerom reakciyi mizh yakimi pochinayutsya za nizhchoyi temperaturi tilki dva reaktanti Reakciyi z bilshoyu kilkistyu komponent mozhlivi lishe za znachnoyi gustini plazmi sho isnuye tilki v nadrah zir mati dva produkti reakciyi Ce dozvolyaye odnochasno zadovolniti zakoni zberezhennya energiyi ta impulsu dzherelo zberigati protoni ta nejtroni dzherelo Kilkist reakcij yaki zadovolnyayut zaznachenim vimogam nevelika nizhche navedeno najcikavishi z nih 1 D T 4He 3 5 MeV n 14 1 MeV 2 D D T 1 01 MeV p 3 02 MeV 50 3 3He 0 82 MeV n 2 45 MeV 50 4 D 3He 4He 3 6 MeV p 14 7 MeV 5 T T 4He 2 n 11 3 MeV 6 3He 3He 4He 2 p 7 3He T 4He p n 12 1 MeV 51 8 4He 4 8 MeV D 9 5 MeV 43 9 4He 0 5 MeV n 1 9 MeV p 11 9 MeV 6 10 D 6Li 2 4He 22 4 MeV 11 p 6Li 4He 1 7 MeV 3He 2 3 MeV 12 3He 6Li 2 4He p 16 9 MeV 13 p 11B 3 4He 8 7 MeV p proton D dejterij ta T tritij ustaleni poznachennya dlya troh izotopiv vodnyu Shob ociniti pridatnist cih reakcij okrim komponentiv reakciyi ta energiyi sho vivilnyayetsya slid znati poperechnij peretin reakciyi Kozhen reaktor sintezu zdaten vitrimati pevne maksimalne znachennya tisku plazmi ta shob buti ekonomichno vigidnim vin pracyuvatime iz gustinoyu plazmi sho blizka do maksimalnoyi Za takogo tisku maksimalnij vihid reakciyi bude otrimano za temperaturi koli znachennya lt sv gt T ye maksimalnim Za takoyi temperaturi znachennya nTt potribne dlya zapalennya angl ignition ye minimalnim Nizhche navodyatsya znachennya optimalnoyi temperaturi ta lt sv gt T deyakih iz navedenih vishe reakcij palne T keV lt sv gt T m sec keV 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 Bud yaka iz navedenih vishe reakcij mogla b buti dzherelom energiyi sintezu Odnak okrim temperaturi ta poperechnogo peretinu rozglyanemo takozh zagalnu energiyu sintezu Efus energiyu zaryadzhenih chastok Ech ta atomnij nomer Z nevodnevih reaktantiv palne Z Efus MeV Ech MeV nejtronnist 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 Ostannij stovpchik ce reakciyi tobto ta chastina energiyi yaka vivilnyayetsya u viglyadi nejtroniv Ce znachennya ye vazhlivim indikatorom oskilki serjoznimi ye problemi pov yazani iz nejtronnim oprominennyam taki yak radiacine poshkodzhennya materialiv biologichnij zahist reaktora distancijne obslugovuvannya ta bezpeka Dlya pershih dvoh reakcij vona obrahovana za formuloyu Efus Ech Efus Dlya dvoh ostannih navedeno priblizni znachennya viprominyuvannya dlya pobichnih reakcij sho utvoryuyut nejtroni oskilki vlasne reakciya yih ne viroblyaye Kriterij Lousona Dokladnishe Kriterij Lousona Vazhlivim dlya rozuminnya reakciyi sintezu ye ponyattya poperechnogo peretinu reakciyi s miri jmovirnosti reakciyi sintezu yak funkciyi vidnosnoyi shvidkosti dvoh vzayemodiyuchih yader Dlya termoyadernoyi reakciyi sintezu zruchnishe rozglyadati serednye znachennya rozpodilu dobutku poperechnogo peretinu na shvidkist yadra s v displaystyle langle sigma v rangle Vikoristovuyuchi jogo mozhna zapisati shvidkist reakciyi zlittya yader na ob yem na chas yak f n 1 n 2 s v displaystyle f n 1 n 2 langle sigma v rangle De n 1 displaystyle n 1 i n 2 displaystyle n 2 ce gustina reaktantiv s v displaystyle langle sigma v rangle zrostaye vid nulya za kimnatnoyi temperaturi do znachnoyi velichini vzhe za energij 10 100 keV takij energiyi vidpovidayut temperaturi rechovini poryadku miljoniv gradusiv Kelvina pri kotrih komponenti reakcijnoyi sumishi perehodyat v stan plazmi Porivnyannya parametriv reakcij palne lt sv gt T shtraf vinagoroda reaktivnist kriterij Lousona gustina energiyi D T 1 24 10 24 1 1 1 1 D D 1 28 10 26 2 48 30 68 D 3He 2 24 10 26 2 3 83 16 80 p 11B 3 01 10 27 1 3 1240 500 2500 Shtraf vinagoroda stosuyutsya nevodnevogo ta odnokomponentnogo palnogo Shtraf u rozmiri 2 Z 1 dlya nevodnevih komponentiv palnogo viplivaye z togo faktu sho z takih komponent utvoryuyetsya bilshe elektroniv kotri stvoryuyut tisk ale ne berut uchasti v reakciyi sintezu Takozh ye vinagoroda dlya D D reakciyi oskilki kozhen ion u plazmi mozhe vzayemodiyati z bud yakim inshim ionom odnokomponentne palne Velichinu v kolonci reaktivnist otrimano dilennyam maksimalnogo peretinu lt sv gt T 1 24 10 24 z poperednoyi tablici na dobutok drugoyi ta tretoyi kolonok Vona oznachaye naskilki inshi reakciyi vidbuvayutsya povilnishe nizh D T reakciya za tih zhe umov Kolonka Kriterij Lousona zvazhuye ci rezultati iz Ech ta sluguye indikatorom togo naskilki vazhche dosyagnuti zapalennya cih reakcij porivnyano iz D T reakciyeyu Ostannya kolonka gustina energiyi zvazhuye reaktivnist iz Efus Vona sluguye vkazivnikom togo naskilki nizhcha gustina energiyi sintezu porivnyano iz D T reakciyeyu ta mozhe sluguvati miroyu ekonomichnogo potencialu dzherelo Myuonnij kataliz Dokladnishe Myuonnij kataliz Zovnishni videofajli 1 Yak pracyuye nizkotemperaturnij yadernij sintez Kanal Cikava nauka na YouTube 4 listopada 2020 Termoyaderna reakciya mozhe buti istotno polegshena za rahunok vvedennya v reakcijnu sumish myuoniv Elektrichnij zaryad myuonu ye rivnim zaryadu elektronu ale jogo masa ye u 207 raziv bilshoyu Cherez ce myuon mozhe utvoryuvati z yadrom sistemu podibnu do atomu ale obertayetsya navkolo nogo po orbiti u 207 raziv menshogo radiusa Mezoatom yak i zvichajnij atom elektrichno nejtralnij Zavdyaki comu dva myuonnih atomi mozhut nablizitisya odin do odnogo znachno blizhche nizh elektronnij ne zaznayuchi diyi kulonivskih sil na vidstan poryadku 5 10 13 m utvoryuyuchi mezomolekulu A zavdyaki tomu sho myuonna molekula ves chas perebuvaye u stani teplovih kolivan cya vidstan ye ne postijnoyu i u deyaki momenti yadra stayut she blizhchimi odin do odnogo Dostatno blizkimi dlya togo shob zavdyaki tunelnomu perehodu mizh yadrami mogla dostatno shvidko za 10 12 s vidbutis yaderna reakciya Pislya zlittya yader myuoni vivilnyayutsya i mozhut priyednatisya do inshih yader same tomu cej proces nazivayut katalizom Takim chinom teoretichno odna chastinka mozhe zabezpechiti tisyachi reakcij yih chislo obmezhene lishe chasom zhittya samogo myuona 2 2 10 6 s Na praktici myuoni dosit shvidko prilipayut do yader atomiv geliyu sho utvoryuyutsya v rezultati reakciyi vidbuvayetsya otruyennya katalizatoru Jmovirnist takogo prilipannya u konkretnij reakciyi poznachayut yak w s displaystyle omega s U eksperimentah z myuonnogo katalizu vdalosya dosyagti pokaznikiv u 100 reakcij zlittya na odin myuon Energiya sho vidilyayetsya pri comu ye nizhchoyu nizh energetichni vitrati na otrimannya samogo myuona tobto dzherelom energiyi poki sho takij proces sluzhiti ne mozhe Div takozhCikl Bete Holodnij sintez Termoyadernij raketnij dvigunPrimitki Arhiv originalu za 4 travnya 2015 Procitovano 9 travnya 2012 Enciklopediya fiziki i tehniki Nejtronnyj generator Arhiv originalu za 21 travnya 2012 Procitovano 22 travnya 2012 Twisting design of fusion reactor is thanks to supercomputers angl 14 kvitnya 2016 myuonnyj kataliz ros

Дата публікації:
Топ