Термоядерная реакция

Когда ядерный синтез - это ядерные реакции, это операции, при которых два атомных ядра сливаются в новое ядро. Реакции ядерного синтеза заставляют солнце и все сияющие звезды излучать энергию .

Сечение , мера вероятности того, что сталкивающиеся ядра реагируют друг с другом, имеет решающее значение для создания термоядерного синтеза . Поперечное сечение обычно достаточно велико только тогда, когда два сердечника сталкиваются друг с другом с высокой энергией. Это необходимо для преодоления кулоновского барьера , электрического отталкивания между положительно заряженными ядрами или для туннелирования через его узкий максимум . За барьером, на расстоянии всего лишь около 10 ^-15  м, притяжение преобладает за счет сильного взаимодействия, и ядра сливаются друг с другом.

Реакции синтеза могут быть экзотермическими (высвобождение энергии) или эндотермическими (поглощение энергии). Экзотермические реакции синтеза могут поддерживать высокие температуры, необходимые для того, чтобы тепловая энергия приводила к дальнейшим реакциям синтеза. Такие термоядерные процессы происходят в звездах и термоядерных бомбах под экстремальным давлением. В отличие от ядерного деления , цепная реакция с реакциями синтеза невозможна.

Реакция синтеза, показанная выше как термоядерный процесс, предназначена для использования в будущем для выработки электричества в ядерных термоядерных реакторах : ядра дейтерия ( ² H) и трития ( ³ H) сливаются с образованием ядра гелия ( ⁴ He), высвобождая нейтронов (п) и энергия (3, 5  МэВ + 14,1 МэВ).

На приведенном ниже рисунке показаны энергия связи на нуклон в нуклидов . Энергия выделяется с реакциями в восходящем направлении кривой или требуется в случае нисходящего направления. При синтезе водорода (H) с гелием-4 выделяется много энергии.

Исследования ядерного синтеза

Первая наблюдаемая ядерная реакция была (эндотермической) реакцией синтеза. Он был открыт - задолго до ядерного деления - Эрнестом Резерфордом в 1917 году во время экспериментов с альфа-частицами . Были обнаружены протоны относительно высокой энергии, которые появлялись только тогда, когда облучаемый газ содержал азот. Эта ядерная реакция называется в сегодняшних обозначениях ¹⁴ N (α, p) ¹⁷ O или подробно записывается:

${\ displaystyle {} ^ {14} \ mathrm {N} + {} ^ {4} \ mathrm {He} \, \ rightarrow \, {} ^ {17} \ mathrm {O} + {} ^ {1} \ mathrm {H} -1,2 \, \ mathrm {МэВ}}$

Это превращение азота в кислород , как и сам альфа-распад , противоречило классической теории, согласно которой кулоновский барьер можно преодолеть только с достаточной энергией. Только в 1928 году Джордж Гамов смог объяснить такие процессы на основе новой квантовой механики с туннельным эффектом .

Еще в 1920 году Артур Эддингтон предложил реакции синтеза в качестве возможного источника энергии звезд на основе точных измерений масс изотопов Фрэнсисом Уильямом Астоном (1919) . Поскольку из спектроскопических наблюдений было известно, что звезды в основном состоят из водорода , здесь было рассмотрено его синтез с образованием гелия . В 1939 году Ганс Бете опубликовал различные механизмы того, как эта реакция могла происходить в звездах.

Первой реакцией синтеза, специально проведенной в лаборатории, была бомбардировка дейтерия ядрами дейтерия в 1934 году Марком Олифантом , помощником Резерфорда, и Полом Хартеком . Синтез этого изотопа водорода, который редко встречается в звездах, разветвляется на два канала продукта:

${\ displaystyle {} ^ {2} \ mathrm {H} + {} ^ {2} \ mathrm {H} \, \ rightarrow \, {} ^ {3} \ mathrm {He} + {} ^ {1} \ mathrm {n} +3 {,} 3 \, \ mathrm {МэВ}}$

${\ displaystyle {} ^ {2} \ mathrm {H} + {} ^ {2} \ mathrm {H} \, \ rightarrow \, {} ^ {3} \ mathrm {H} + {} ^ {1} \ mathrm {p} +4 {,} 0 \, \ mathrm {МэВ}}$

Техническое использование термоядерного ядерного синтеза сначала преследовалось с целью разработки военного оружия. Следовательно, это исследование проводилось тайно в течение первых десятилетий после Второй мировой войны . США владели атомной бомбой, основанной на делении, с 1945 года, а Советский Союз - с 1949 года . В последующие годы Эдвард Теллер и Станислав Улам разработали концепцию создания водородной бомбы в США , которая основана на ядерном синтезе и обещает значительно более высокую взрывную мощность. 1 ноября 1952 года первая водородная бомба под названием « Айви Майк» была взорвана на атолле Эниветок в Тихом океане. Это стало доказательством того, что большое количество энергии может также выделяться на Земле посредством ядерного синтеза.

Энергетический баланс

Если масса ядер или частиц, образовавшихся в результате слияния, меньше суммы масс исходных ядер, разница масс , как и в случае любой ядерной реакции, равна полученной Эйнштейном эквивалентной формуле массы-энергии, высвобождаемой в виде энергии (как кинетическая энергия продуктов реакции и, возможно, как электромагнитное излучение). Экзотермические, то есть высвобождающие энергию реакции синтеза происходят только тогда, когда легкие ядра сливаются вместе, поскольку энергия связи на нуклон только увеличивается с увеличением массового числа вплоть до элемента железа (изотопа ⁵⁸ Fe). Однако она очень велика в реакциях, в которых образуется гелий-4: преобразование одного грамма дейтерий-тритиевой смеси в термоядерном реакторе приведет к образованию тепловой энергии около 100 мегаватт-часов (МВтч) или 12,3  тонны ТВЭ . ${\ displaystyle \ Delta m}$ ${\ Displaystyle E = \ Delta mc ^ {2}}$

Предыдущие эксперименты по управляемому термоядерному синтезу еще не показали положительного баланса энергии. На данный момент наиболее успешным оказался британский JET ( Joint European Torus ), который смог достичь максимальной мощности 16 МВт менее чем за секунду. 65 процентов вложенной энергии можно было бы восстановить как термоядерную энергию.

Звездный ядерный синтез

У многих звезд, таких как наше Солнце, долгая фаза горения водорода находится в начале развития. В течение этого периода в качестве главной звезды последовательности, протонов , в атомных ядер из водорода , плавкий предохранитель , чтобы сформировать гелий , высвобождая энергию . В звездах среднего размера это происходит в основном через цепочку реакций, известную как протон-протонная реакция; при более высоких температурах цикл Бете-Вайцзеккера становится более важным. В этих цепочках реакций образуются нейтрино с характерными распределениями энергии, измерение которых дает информацию о внутренней части Солнца.

Когда в ядре звезды главной последовательности становится дефицит водорода, начинается синтез гелия . Из-за своей массы более крупные звезды также создают большее гравитационное давление, что означает, что плотность и температура достигают более высоких значений, и, в конце концов, более тяжелые элементы также создаются путем синтеза. Этот процесс приводит к появлению ядер в диапазоне максимальной энергии связи на нуклон (массовые числа около 60, с расширениями примерно до 70). Однако элементы с еще большими массовыми числами больше не могут быть созданы таким образом, поскольку такие сплавы становятся все более эндотермическими , т.е. ЧАС. обеспечивают меньше энергии, чем им нужно для собственного обслуживания. Они образуются нейтронами ( s- и r-процесс ) и накоплением протонов ( p-процесс ) (см. Сверхновая, коллапс ядра ).

Для реакций синтеза с разными исходными материалами требуются разные температуры. В звездах одна за другой протекают разные реакции. Когда топливо израсходовано для реакции, звезда сжимается, что увеличивает ее центральную температуру. Затем может начаться новая реакция, для которой требуется более высокая температура.

Реакции ядерного синтеза для производства технической энергии

Возможные исходные материалы и реакции

Реакция pp слишком медленная для технического термоядерного использования. Даже в ядре Солнца средняя продолжительность жизни протона до реакции составляет порядка десяти миллиардов лет. Но также все термоядерные реакции, которые ставятся под сомнение для технического использования, происходят между очень легкими атомными ядрами, и их выигрыш в энергии объясняется генерацией ядер гелия-4 с их высокой энергией связи на нуклон. Одна из рассматриваемых реакций, реакция протон-бор-11 (последняя строка следующей таблицы), вообще не является синтезом в смысле приведенного выше определения - не возникает ядра, которое тяжелее исходного ядра, - но она дает то же самое для каждой пары реагирующих ядер по три ядра гелия-4. Эта реакция обычно считается частью «ядерного синтеза».

Концепции термоядерных реакторов основаны на синтезе дейтерия и трития, далее именуемого DT. Другие реакции синтеза будут иметь преимущества перед DT, в частности, в отношении радиоактивности, возникающей в результате активации материалов стенки или более легкого использования энергии реакции. Однако из-за меньшего выигрыша энергии в каждой отдельной реакции, необходимости значительно более высоких температур плазмы или отсутствия исходных материалов они пока представляют только теоретические возможности для выработки энергии.

В следующей таблице перечислены возможные виды топлива, продукты реакции и выделяемая энергия. В случае реакций с различными возможными конечными продуктами приводится процентное соотношение каналов реакции.

Если есть только две частицы продукта, они имеют заданную, четко определенную кинетическую энергию в соответствии с кинематикой (если пренебречь энергией удара во входном канале) . С другой стороны, в случае реакций с более чем двумя частицами продукта можно указать только общую выделенную энергию.

Нет.	Сырье				Продукты
(1)	2 Д	+	3 т	→	4 He  (3,5  МэВ )	+	n 0  (14,1 МэВ)
(2а)	2 Д	+	2 Д	→	3 Тл (1,01 МэВ)	+	p +  (3,02 МэВ)	(до 50%)
(2 В)	2 Д	+	2 Д	→	3 He (0,82 МэВ)	+	n 0  (2,45 МэВ)	(до 50%)
(3)	2 Д	+	3 Он	→	4 He (3,6 МэВ)	+	p +  (14,7 МэВ)
(4)	3 т	+	3 т	→	4 Он	+	2 п	+ 11,3 МэВ
(5)	3 Он	+	3 Он	→	4 Он	+	2 шт.	+ 12,9 МэВ
(6а)	3 Он	+	3 т	→	4 Он	+	п	+	п	+ 12,1 МэВ	(до 57%)
(6b)	3 Он	+	3 т	→	4 He (4,8 МэВ)	+	2 D (9,5 МэВ)				(до 43%)
(7а)	2 Д	+	6 ли	→	2  4 He (по 11,2 МэВ)
(7b)				→	3 Он	+	4 Он	+	п	+ 1,8 МэВ
(7c)				→	7 Li (0,6 МэВ)	+	p (4,4 МэВ)
(7д)				→	7 Be  (0,4 МэВ)	+	n (3,0 МэВ)
(8-е)	п	+	6 ли	→	4 He (1,7 МэВ)	+	3 He (2,3 МэВ)
(9)	3 Он	+	6 ли	→	2  4 Он	+	п	+ 16,9 МэВ
(10)	п	+	11 млрд	→	3  4 Он	+	8,7 МэВ

Дейтерий / тритий

Для ядерных термоядерных реакторов на Земле смесь равных частей изотопов водорода дейтерия (D) и трития (T), безусловно, является наиболее перспективным топливом. Для того чтобы эта реакция синтеза - реакция (1) в таблице выше - происходила независимо, должен соблюдаться критерий Лоусона (минимальное значение произведения температуры, плотности частиц и времени включения энергии ). Это приводит к требуемой температуре около 150 миллионов К (в десять раз выше, чем в ядре Солнца) и давлению в несколько бар (на несколько порядков ниже, чем в ядре Солнца). При этих технически достижимых значениях сечение DT-реакции намного больше, чем сечение первой стадии протон-протонной реакции.

Чтобы использовать реакцию DT в качестве источника энергии на Земле, в рамках международного сотрудничества разрабатываются термоядерные реакторы с магнитным удержанием плазмы, при этом основной целью на сегодняшний день (2020 г.) является создание стабильной плазмы. Водород, дейтерий или их смеси используются почти исключительно для этой цели, а радиоактивный тритий используется только в редких случаях. Большинство плазмофизических и технических проблем, связанных с нагревом, стабилизацией и диагностикой, можно исследовать с помощью водорода и дейтерия. Время удержания энергии, необходимое для соответствия критерию Лоусона , еще не достигнуто; предыдущие (по состоянию на 2016 год) испытательные площадки для этого маловаты. Слияние DT было продемонстрировано с JET в течение короткого времени. Прирост физической энергии, т.е. ЧАС. высвобождение энергии, превышающее энергию, используемую для нагрева плазмы, должно быть достигнуто с помощью ИТЭР . Производство первой электроэнергии планируется с DEMO .

Дейтерий / Дейтерий

Примерно одинаково часто встречаются два канала реакции:

${\ Displaystyle \ mathrm {D} + \ mathrm {D} \ \ rightarrow \ \ mathrm {p} + \ mathrm {T} +4 {,} 0 \; \ mathrm {МэВ}}$

${\ displaystyle \ mathrm {D} + \ mathrm {D} \ \ rightarrow \ \ mathrm {n} + {} ^ {3} \! \, \ mathrm {He} +3 {,} 3 \; \ mathrm { МэВ}}$

Для электростанции недостатками по сравнению с DT являются гораздо меньший выигрыш в энергии и гораздо меньшее эффективное поперечное сечение , что увеличивает необходимое время удержания. Если конверсия реакции DD является значительной (особенно в бомбах), реакция DT происходит как последующая реакция, а также следующие реакции:

${\ displaystyle \ mathrm {p} + \ mathrm {T} \ \ rightarrow \ {} ^ {4} \! \, \ mathrm {He} + \ gamma +19 {,} 8 \; \ mathrm {МэВ}}$

${\ displaystyle \ mathrm {D} + \! ^ {3} \ mathrm {He} \ \ rightarrow \ \ mathrm {p} + {} ^ {4} \! \, \ mathrm {He} +18 {,} 3 \; \ mathrm {МэВ}}$

${\ displaystyle \ mathrm {T} + \ mathrm {T} \ \ rightarrow \ 2 \, \ mathrm {n} + {} ^ {4} \! \, \ mathrm {He} +11 {,} 3 \; \ mathrm {МэВ}}$

Дейтерий / Гелий-3 и Гелий-3 / Гелий-3

Гелием 3 ядром является зеркальным ядра к ядру трития: он содержит 2 протона и 1 нейтрона вместо 1 протон и 2 нейтрона. Реакция D- ³ He (№ (3) таблицы), уже указанная выше как последующая реакция на синтез дейтерия и дейтерия, соответственно дает ядро ​​гелия-4 и протон с энергией 15 МэВ. Однако необходимо преодолеть более сильное отталкивание двухзарядного ядра гелия-3. Преобразование кинетической энергии протона в пригодную для использования форму было бы проще, чем с нейтроном. В то же время ионы дейтерия также будут реагировать друг с другом с образованием протонов и трития или с образованием нейтронов и гелия-3. Это также произвело бы нейтроны. Если тритий не удаляется из реакционного газа, реакции DT также приводят к выделению нейтронов.

В термоядерном реакторе, работающем только с ³ He (реакция (5)), будет намного меньше радиоактивности, поскольку образуются только ядро ​​He-4 и протоны. Однако вам понадобится ответ

${\ displaystyle \ mathrm {^ {3} He + \! ^ {3} He \ \ rightarrow \ ^ {4} He + \ 2 \ p + 12.9 \; МэВ}}$

преодолеваются даже большие силы отталкивания. При высоких температурах плазмы тритий будет образовываться в результате обратного бета-распада He-3 и электронов с определенной скоростью реакции .

Основная трудность заключается в доступности He-3, который доступен на Земле лишь в небольших количествах. В лунных породах обнаружено большее количество He-3. Для возможной добычи на Луне и транспортировки на Землю необходимо будет доказать техническую осуществимость и взвесить соотношение затрат и выгод.

Другие возможные виды топлива

По сравнению с соседними нуклидами, атомное ядро ​​He-4 имеет особенно высокую энергию связи на нуклон; Это объясняет большой выигрыш в энергии реакции DT (см. Выше), и поэтому другие реакции с более легкими нуклидами, поскольку они производят He-4, можно рассматривать как источник энергии. Однако создать необходимые условия еще труднее, потому что отталкивание между многозарядными атомными ядрами сильнее, чем между ядрами водорода. Примером может служить бор-протонная реакция (№ (10))

${\ displaystyle \ mathrm {^ {11} B + \! p \ \ rightarrow \ 3 \ ^ {4} He + 8,7 \; МэВ}}$.

Как ³ Не- ³ реакции He, он будет иметь преимущество не отпуская никаких нейтронов. Для них, по сравнению с реакцией DT, температура должна быть примерно в десять раз выше, а время сдерживания в 500 раз больше. Из-за требуемых высоких температур и ядерного заряда бора потери энергии термоядерной плазмы из-за тормозного излучения представляют собой физический предел, который до сих пор был непреодолимым.

Ядерный синтез с поляризованными частицами

Скорости реакций синтеза зависят от возможной спиновой поляризации участвующих ионов. Например, поперечное сечение реакции синтеза DT или D- ³ He может быть увеличено до 1,5 раз, если спины вовлеченных частиц выровнены параллельно. Кроме того, можно влиять на предпочтительные направления испускания продуктов реакции. В принципе, это несколько упростит извлечение энергии и увеличит срок службы заготовок . Однако неясно, как количество поляризованного топлива, необходимое для работы реактора, может быть произведено, доставлено в плазменный сосуд и защищено там от эффектов деполяризации.

Технические приложения

Выработка энергии

В рамках международного сотрудничества проводится исследование того, можно ли и каким образом использовать термоядерную энергию для производства электроэнергии . С сегодняшней точки зрения, первый экономически жизнеспособный реактор не ожидается раньше 2050 года, если удастся преодолеть технологические препятствия и принять политическое решение в пользу новой технологии. При условии, что ископаемые виды топлива будут вытеснены из-за их вредного воздействия на климат и, следовательно, ядерный синтез является экономически конкурентоспособным, новая технология, согласно современным знаниям, может быть широко использована в последней четверти 21 века.

Физические исследования, источники нейтронов

Как и другие ядерные реакции, термоядерные реакции можно проводить с использованием ускорителей частиц в лаборатории для физических исследовательских целей. Вышеупомянутая дейтерий-тритиевая реакция используется для генерации быстрых свободных нейтронов. Фарнсворт-Hirsch Fusor также является источником свободных нейтронов для исследований и технических целей.

оружие

В водородных бомбах дейтерий-тритиевая реакция протекает неконтролируемым образом, при этом тритий обычно извлекается из лития только во время взрыва. Самая большая водородная бомба, когда-либо испытанная, " Царь-бомба" достигла взрывной силы 57 мегатонн в тротиловом эквиваленте. Но многие атомные бомбы также содержат несколько граммов дейтерий-тритиевой смеси внутри полой сферы из ядерной взрывчатки. Как только цепная реакция началась, она нагревается достаточно, чтобы начать ядерный синтез. Выделяющиеся в большом количестве нейтроны усиливают цепную реакцию в ядерном взрывчатом веществе.

После прекращения испытательных взрывов ядерного оружия вопросы функциональной безопасности и дальнейшего развития термоядерного оружия исследовались, среди прочего, с использованием компьютерного моделирования. Точные параметры материала, необходимые для этого, определяются, среди прочего, с помощью экспериментов по инерционному термоядерному синтезу с лазерным управлением .

Смотри тоже

Холодный синтез - это название, данное реакциям ядерного синтеза без горячей плазмы. Это должно сохранить управляемость усилий, затрачиваемых на производство энергии с помощью ядерного синтеза. Большинство процессов (за исключением, например, пирофузии , которая в принципе работает, но может использоваться только в качестве источника нейтронов, но не для выработки энергии) оказались патологической наукой без какой-либо реальной функции или практического использования , даже в краткой шумихе вокруг 1980-е годы .

литература

• Александр М. Брэдшоу , Томас Хамахер: Ядерный синтез - устойчивый источник энергии будущего . Naturwissenschaftliche Rundschau 58 (12), стр. 629-637 (2005), ISSN  0028-1050

веб ссылки

• Отчет о работе TAB № 075. Берлин 2002 по ядерному синтезу , Управление по оценке технологий при Бундестаге Германии
• Мечта о ядерном синтезе из телесериала Hitec , 23 марта 2009 г.
• Нужен ли нам ядерный синтез? из альфа-центаврианского сериала(около 15 минут). Первый эфир 2 февраля 2003 г.
• Томас Клингер : Что делает ядерный синтез и насколько он безопасен? Опрашивающий: Сюзанна Пех. hyperraum.tv 2012.
• Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL): основы термоядерного синтеза . Проверено 24 сентября 2013 года.
• Институт физики плазмы Макса Планка : что такое ядерный синтез? . Проверено 24 сентября 2013 года.
• Глобальное потепление за счет антропогенного тепла - основная проблема методов термоядерного синтеза, 2016 г.

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Эрнест Резерфорд: Столкновение α-частиц с легкими атомами. IV. Аномальный эффект в азоте , Philosophical Magazine 37, 1919, стр. 581-587. ( Текст публикации )
2. ↑ Ганс Бете: Производство энергии в звездах , Phys. Ред. 55, 1939, стр. 434-456.
3. ↑ Резерфорд, Олифант, Пол Хартек: Эффекты трансмутации, наблюдаемые с тяжелым водородом, Proc. Рой. Soc. A, Vol. 144, 1934, pp. 692-703, и под тем же названием, Nature, Vol. 133, 1934, p. 413.
4. ^ Открытие DD-синтеза , EuroFusion, 2010
5. ↑ М. Кейлхакер, Результаты JET Deuterium-Tritium и их значение, веб-сайт EUROfusion. Проверено 16 августа 2016 года.
6. ↑ Майкл Ширбер, APS : Синопсис: Редкие термоядерные реакции, исследованные с помощью солнечных нейтрино , 2012.
7. ^ Уэстон М. Стейси: Fusion. Введение в физику и технологию термоядерного синтеза с магнитным удержанием. 2010, с. 1.
8. ↑ Х. Паец, ген Шик : Статус поляризованного синтеза , Eur. Phys. J. 44 A, 2010, стр. 321-354.
9. ↑ Армин Грюнвальд, Рейнхард Грюнвальд, Дагмар Эртель, Герберт Пашен: Sachstandsbericht Kernfusion. Управление по оценке технологий в Германском Бундестаге, март 2002 года, доступ к 9 октября 2014 года . 
10. ^ ИТЭР и не только. На ДЕМО http://www.iter.org/proj/iterandbeyond ( памятная записка от 22 сентября 2012 г. в Интернет-архиве ) . Сайт организации ИТЭР. Проверено 4 июля 2013 года.
11. ↑ Почему исследования термоядерного синтеза? - Стоимость ссылки на архив ( памятная записка от 9 апреля 2015 г. в Интернет-архиве ). Веб-сайт EURO fusion . Проверено 1 ноября 2014 года.
12. ↑ Дорожная карта по реализации термоядерной энергии . Дорожная карта EFDA
13. ^ Как работает ядерное оружие , Филлип Р. Хейс, доктор философии, LT USNR-R, сотрудник по ядерному / специальному оружию, USS Oklahoma City CLG-5 1970–1972