11.9: Ядерний поділ та ядерний синтез

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21904

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Поясніть процеси ядерного поділу та синтезу.
Запишіть та збалансуйте рівняння ядерного поділу та синтезу.
Пов'язати поняття критичної маси і ядерних ланцюгових реакцій.

Ядерний синтез і ядерний поділ - це два різних типи реакцій, що вивільняють енергію, в яких енергія вивільняється з потужних атомних зв'язків між частинками всередині ядра. Основна відмінність між цими двома процесами полягає в тому, що поділ - це розщеплення атома на два або більше менших, тоді як злиття - це злиття двох або більше менших атомів у більший.

Протони і нейтрони складають ядро, яке є основою ядерної науки. Розподіл і злиття включає в себе розгін і поєднання елементарного ядра і ізотопів, і частина ядерної науки полягає в розумінні процесу, що стоїть за цим явищем. Складання окремих мас кожної з цих субатомних частинок будь-якого даного елемента завжди дасть вам більшу масу, ніж маса ядра в цілому. Відсутньою ідеєю в цьому спостереженні є поняття, яке називається енергією ядерного зв'язку. Енергія ядерного зв'язку - це енергія, необхідна для збереження протонів і нейтронів ядра неушкодженими, а енергія, яка виділяється під час ядерного поділу або синтезу, - ядерна енергія. Однак є деякі речі, які слід враховувати. Маса ядра елемента в цілому менше загальної маси його окремих протонів і нейтронів.

Для обчислення енергії, що виділяється при масовому руйнуванні як при ядерному поділі, так і при синтезі, ми використовуємо рівняння Ейнштейна, яке прирівнює енергію і масу:

\[ E=mc^2 \label{1} \]

з\(m\) - маса (кілограми),\(c\) це швидкість світла (метрів/сек) і\(E\) є енергією (джоулі).

Ядерний поділ

Багато важчі елементи з меншими енергіями зв'язування на нуклеон можуть розкладатися на більш стабільні елементи, які мають проміжні масові числа і більші енергії зв'язування на нуклеон - тобто масові числа і енергії зв'язування на нуклеон, які ближче до «піку» графіка енергії зв'язку близько 56. Іноді виробляються і нейтрони. Таке розкладання називається поділом, розбиванням великого ядра на більш дрібні шматочки. Розбиття відбувається досить випадково з утворенням великої кількості різних продуктів. Розщеплення зазвичай не відбувається природним шляхом, а індукується бомбардуванням нейтронами. Перше повідомлення про ядерне поділ сталося в 1939 році, коли троє німецьких вчених, Ліза Мейтнер, Отто Хан та Фріц Штрассман, бомбардували атоми урану-235 повільними нейтронами, які розбили ядра U-238 на більш дрібні фрагменти, що складалися з декількох нейтронів та елементів поблизу середини періодичного таблиця. З тих пір поділ спостерігається в багатьох інших ізотопах, включаючи більшість ізотопів актинідів, які мають непарну кількість нейтронів. Типова реакція ділення ядер показана на малюнку\(\PageIndex{1}\).

Показано діаграму, яка має білу сферу з позначкою «верхній індекс, 1, індекс 0, n», а потім стрілка праворуч та велика сфера, що складається з багатьох менших білих і зелених сфер з позначкою «верхній індекс, 235, індекс 92, U». Єдина сфера вплинула на більшу сферу. Стрілка, спрямована вправо, веде від більшої сфери до вертикальної колекції у формі гантелі тих же білих і зелених сфер з позначкою «верхній індекс, 236, індекс 92, U, нестабільне ядро». Дві стрілки, спрямовані вправо, ведуть зверху і знизу цієї структури до двох нових сфер, які також складаються із зеленої та білої сфер і трохи менші за інші. Верхня сфера позначена як «верхній індекс, 92, індекс 36, K r», а нижня - «верхній індекс, 141, нижній індекс 56, B a». Візерунок зіркового вибуху з міткою «Енергія» лежить між цими двома сферами і має три стрілки, спрямовані вправо, що ведуть від нього до трьох білих сфер з позначкою «3, верхній індекс, 1, індекс 0, n». Збалансоване ядерне рівняння написано під діаграмою і говорить «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 141, нижній індекс 56, B a, знак плюс, верхній індекс, 92, індекс 36, K r, знак плюс, 3, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Коли повільний нейтрон потрапляє на ділиться ядро U-235, він поглинається і утворює нестійке ядро U-236. Ядро U-236 потім швидко розпадається на два менших ядра (в даному випадку Ba-141 і Kr-92) разом з декількома нейтронами (зазвичай два-три) і виділяє дуже велику кількість енергії.

Серед продуктів реакції поділу Мейтнера, Хана та Штрассмана були барій, криптон, лантан та церій, всі з яких мають ядра, які є більш стабільними, ніж уран-235. З тих пір серед продуктів ділиться речовин спостерігалися сотні різних ізотопів. Кілька з багатьох реакцій, які відбуваються для U-235, і графік, що показує розподіл продуктів його поділу і їх врожайність, наведені на малюнку\(\PageIndex{2}\). Подібні реакції поділу спостерігалися з іншими ізотопами урану, а також з безліччю інших ізотопів, таких як плутонію.

Наведено п'ять ядерних рівнянь і графік. Перше рівняння - «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 90, нижній індекс 38, S r, знак плюс, верхній індекс, 144, індекс 54, X e, знак плюс, 2, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» Друге рівняння - «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 87, нижній індекс 35, B r, знак плюс, верхній індекс, 146, індекс 57, L a, знак плюса, 3, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» Третє рівняння - «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 97, нижній індекс 37, R b, знак плюса, 137, нижній індекс, 137, нижній індекс 55, C s, знак плюс, 3, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» Четверте рівняння - «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 137, підстроковий індекс 52, T e, знак плюса, 97, індекс 40, Z r, знак плюса, 2, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» П'яте рівняння - «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 141, нижній індекс 56, B a, знак плюс, верхній індекс, 92, індекс 36, K r, знак плюс, 3, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» Також показано графік, де вісь y позначена «Вихід поділу, відкрита дужка, знак відсотка, закрита дужка» і має значення від 0 до 9 з кроком 1, тоді як вісь x позначена «Масове число» і має значення від 60 до 180 з кроком 20. Графік починається біля точки «65, 0» і швидко піднімається близько до «92, 6,6», потім так само швидко падає до «107, 0» і залишається там до точки «127, 0». Потім графік знову піднімається до «132, 8", потім трохи піднімається вгору і вниз, перш ніж впасти до точки «153, 0» і йти горизонтально. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): (а) Ядерний поділ U-235 виробляє цілий ряд продуктів поділу. (b) Більші продукти поділу U-235, як правило, один ізотоп з масовим числом близько 85—105, і інший ізотоп з масовим числом, яке приблизно на 50% більше, тобто близько 130-150.

Величезна кількість енергії виробляється при діленні важких елементів. Наприклад, коли один моль U-235 піддається поділу, продукти важать приблизно на 0,2 грама менше, ніж реагенти; ця «втрачена» маса перетворюється в дуже велику кількість енергії, приблизно 1,8 × 10 ¹⁰ кДж на моль U-235. Ядерні реакції поділу виробляють неймовірно велику кількість енергії порівняно з хімічними реакціями. Поділ 1 кілограма урану-235, наприклад, виробляє приблизно в 2,5 мільйона разів більше енергії, ніж виробляється при спалюванні 1 кілограма вугілля.

При поділі U-235 виробляє два «середніх» ядра, і два або три нейтрона. Потім ці нейтрони можуть спричинити поділ інших атомів урану-235, які, в свою чергу, забезпечують більше нейтронів, які можуть спричинити поділ ще більшої кількості ядер тощо. Якщо це відбувається, ми маємо ядерний ланцюг повторної дії (рис.\(\PageIndex{3}\)). З іншого боку, якщо занадто багато нейтронів виходять з сипучого матеріалу, не взаємодіючи з ядром, то ніякої ланцюгової реакції не відбудеться.

Матеріал, який може підтримувати ланцюгову реакцію ядерного поділу, як кажуть, є розщепленим або ділиться. (Технічно розщеплюється матеріал може піддаватися поділу нейтронами будь-якої енергії, тоді як ділиться матеріал вимагає високоенергетичних нейтронів.) Ядерний поділ стає самоокупним, коли кількість нейтронів, що утворюються поділом, дорівнює або перевищує кількість нейтронів, поглинених розщепленням ядер плюс число, які виходять в навколишнє середовище. Кількість матеріалу, що ділиться, який буде підтримувати самоокупну ланцюгову реакцію, є критичною масою. Кількість матеріалу, що ділиться, що не може витримати ланцюгову реакцію, - це докритична маса. Кількість матеріалу, в якому спостерігається зростаюча швидкість ділення, відома як надкритична маса.

Атомні електростанції сконструйовані таким чином, що вони не можуть утворювати надкритичну масу ділиться матеріалу і тому не можуть створити ядерний вибух. Але як показала історія, збої систем і гарантій можуть стати причиною катастрофічних аварій, включаючи хімічні вибухи і ядерні розлади (пошкодження активної зони реактора від перегріву). Наступна функція «Хімія в повсякденному житті» досліджує три сумнозвісні інциденти.

Ядерні аварії

Важливість охолодження та стримування наочно ілюструється трьома великими аваріями, які сталися з ядерними реакторами на атомних електростанціях у США (острів Три Милі), колишньому Радянському Союзі (Чорнобиль) та Японії (Фукусіма).

У березні 1979 року система охолодження реактора блоку 2 на атомній генераторній станції Three Mile Island в Пенсільванії вийшла з ладу, і охолоджуюча вода вилилася з реактора на підлогу будівлі стримування. Після зупинки насосів реактори перегріваються через високу теплоту радіоактивного розпаду, що утворюється в перші кілька днів після відключення ядерного реактора. Температура ядра піднялася мінімум до 2200° C, а верхня частина ядра почала плавитися. Крім того, оболонка паливних стрижнів з цирконієвого сплаву почала вступати в реакцію з парою і утворювалася водень:

\[\ce{Zr}(s)+\ce{2H2O}(g)⟶\ce{ZrO2}(s)+\ce{2H2}(g) \nonumber \]

Водень накопичився в будівлі ув'язнення, і побоювалися, що існує небезпека вибуху суміші водню і повітря в будівлі. Отже, газ водень і радіоактивні гази (в першу чергу криптон і ксенон) були відведені з будівлі. Протягом тижня циркуляція охолоджуючої води відновилася і ядро почало охолоджуватися. Під час очищення завод був закритий майже на 10 років.

Хоча нульовий розряд радіоактивного матеріалу бажаний, розряд радіоактивного криптону і ксенону, такий як стався на заводі Three Mile Island, є одними з найбільш терпимих. Ці гази легко розходяться в атмосфері і, таким чином, не утворюють високорадіоактивних областей. Більш того, вони є благородними газами і не включаються в рослинні та тваринні речовини в харчовому ланцюзі. Фактично жоден з важких елементів активної зони реактора не був випущений в навколишнє середовище, і очищення території за межами будівлі стримування не було необхідним (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Показані дві фотографії з позначками «a» і «b». Фото а є пташиного польоту атомної електростанції. Фото б показує невелику групу чоловіків, що йдуть через кімнату, заповнену електронікою. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): (а) На цьому фото 2010 року острова Три-Майл, решта конструкцій з пошкодженого реактора блоку 2 видно зліва, тоді як окремий реактор блоку 1, не постраждалий від аварії, продовжує виробляти енергію донині (праворуч). (b) Президент Джиммі Картер відвідав диспетчерську блоку 2 через кілька днів після аварії в 1979 році.

Ще одна велика ядерна аварія за участю реактора сталася в квітні 1986 року на Чорнобильській атомній електростанції в Україні, яка все ще входила до складу колишнього Радянського Союзу. Під час роботи на малій потужності під час несанкціонованого експерименту з відключеними деякими його захисними пристроями один з реакторів на заводі став нестабільним. Його ланцюгова реакція стала неконтрольованою і збільшилася до рівня, значно перевищує те, для чого був розроблений реактор. Тиск пари в реакторі збільшився до 100 і 500 разів перевищував тиск повної потужності і розірвав реактор. Оскільки реактор не був укладений у будівлю стримування, велика кількість радіоактивного матеріалу викидалася, а також виділялися додаткові продукти поділу, оскільки графітовий (вуглецевий) помідор ядра запалювався і спалювався. Пожежа контролювалася, але понад 200 заводчан і пожежників розвинулася гостра променева хвороба і щонайменше 32 незабаром померли від впливу радіації. Прогнозується, що серед працівників надзвичайних ситуацій та колишніх чорнобильців від радіаційно-індукованого раку та лейкемії відбудеться ще близько 4000 смертей. Реактор з тих пір був інкапсульований в сталь і бетон, тепер розкладається структура, відома як саркофаг. Майже через 30 років значні радіаційні проблеми все ще зберігаються в цьому районі, а Чорнобиль значною мірою залишається пустирем.

У 2011 році АЕС Фукусіма Дайічі в Японії сильно постраждала від землетрусу магнітудою 9,0 бали і внаслідок цунамі. Три реактора, що працювали в той час, були відключені автоматично, а аварійні генератори вийшли в мережу для силової електроніки та систем охолоджуючої рідини. Однак цунамі швидко затопили аварійні генератори і відключили живлення насосів, які циркулюють теплоносій води через реактори. Високотемпературна пара в реакторах вступала в реакцію зі сплавом цирконію з утворенням газоподібного водню. Газ втік у будівлю стримування, і суміш водню і повітря вибухнула. Радіоактивний матеріал вивільнявся з суден для зберігання в результаті навмисного спуску повітря для зниження тиску водню, навмисного скидання теплоносія води в море, а також випадкових або неконтрольованих подій.

Зона евакуації навколо пошкодженого заводу простяглася на 12,4 милі, і приблизно 200 000 людей були евакуйовані з цього району. Всі 48 атомних електростанцій Японії були згодом закриті, залишаючись закритими станом на грудень 2014 року. Після катастрофи громадська думка змістилася з значною мірою прихильності до значної міри протидії збільшенню використання атомних електростанцій, і перезапуск японської програми атомної енергії все ще застопорився (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Показано фото і карту, позначені як «a» і «b» відповідно. Фото показує людину в захисному костюмі, що охоплює тіло, що працює біля серії синіх, пластикових контейнерів з покриттям. Карта b показує ділянку землі з океаном з кожного боку. Біля верхньої правої сторони землі розташована невелика червона точка, позначена «більше, ніж, 12.5, м R зворотна коса риска, h r», яка оточена зоною оранжевого кольору, яка простягається у верхньому лівому напрямку з написом «2.17, тире, 12.5, m R зворотна коса риса, h r». Помаранчевий колір оточений контуром жовтого кольору з позначкою «1,19, тире, 2,17, м R зворотний слеш, h r» та ширшим контуром зеленого кольору з позначкою «0.25, тире, 1.19, m R зворотна коса риса, h r». Велика область світло-блакитного кольору з позначкою «0.03, тире, 0.25, m R зворотна коса риса, h r» оточує зелену зону і простягається до нижньої середини карти. Велика ділянка нижньої середньої і лівої частини землі покрита темно-синім кольором з позначкою «менше 0,03, м R зворотної косої риски, h r». — Малюнок\(\PageIndex{5}\): (а) Після аварії забруднені відходи довелося видалити, а (б) навколо заводу була створена зона евакуації в районах, де надходили важкі дози радіоактивних опадів. (Кредит а: модифікація роботи «Герой живих дій» /Flickr)

Енергія, вироблена реактором, що заправляється збагаченим ураном, є результатом поділу урану, а також від поділу плутонію, що утворюється під час роботи реактора. Як обговорювалося раніше, плутоній утворюється з комбінації нейтронів і урану в паливі. У будь-якому ядерному реакторі лише близько 0,1% маси палива перетворюється в енергію. Інші 99,9% залишаються в паливних стрижнях як продукти поділу та невикористане паливо. Всі продукти поділу поглинають нейтрони, і через період від декількох місяців до декількох років, в залежності від реактора, продукти поділу повинні бути видалені шляхом зміни паливних стрижнів. В іншому випадку концентрація цих продуктів поділу збільшувалася б і поглинає більше нейтронів, поки реактор більше не зможе працювати.

Відпрацьовані паливні стрижні містять різноманітні продукти, що складаються з нестабільних ядер, що варіюються в атомному номері від 25 до 60, деяких трансуранових елементів, включаючи плутоній і америцій, а також незареагували ізотопів урану. Нестабільні ядра і ізотопи трансурану дають відпрацьованому паливі небезпечно високий рівень радіоактивності. Довгоживучі ізотопи вимагають тисячі років, щоб розпастися до безпечного рівня. Кінцева доля ядерного реактора як значного джерела енергії в Сполучених Штатах, ймовірно, залежить від того, чи може бути розроблена політично та науково задовільна методика переробки та зберігання компонентів відпрацьованих паливних стрижнів.

ядерний синтез

Процес перетворення дуже легких ядер в більш важкі ядра також супроводжується перетворенням маси у велику кількість енергії, процес, званий синтезом. Основним джерелом енергії на сонці є реакція чистого синтезу, при якій чотири ядра водню зливаються і виробляють одне ядро гелію і два позитрони. Це чиста реакція більш складної серії подій:

\[\ce{4^1_1H ⟶ ^4_2He + 2^0_{+1}}\]

Гелієве ядро має масу, яка на 0,7% менше, ніж у чотирьох ядер водню; ця втрачена маса перетворюється в енергію під час злиття. Ця реакція виробляє близько 3,6 × 10 ¹¹ кДж енергії на моль\(\ce{^4_2He}\) виробленої. Це дещо більше енергії, виробленої ядерним поділом одного моля У-235 (1,8 × 10 ¹⁰ кДж), і понад 3 мільйони разів більше енергії, виробленої при (хімічному) згорянні одного моля октану (5471 кДж).

Визначено, що ядра важких ізотопів водню, дейтрона\(^2_1\) і тритона\(^3_1\), піддаються синтезу при екстремально високих температурах (термоядерний синтез). Вони утворюють ядро гелію і нейтрон:

\[\ce{^2_1H + ^3_1H ⟶ ^4_2He + 2^1_0n}\]

Ця зміна протікає з втратою маси 0,0188 аму, що відповідає вивільненню 1,69 × 10 ⁹ кілоджоулів на моль\(\ce{^4_2He}\) утворився. Дуже висока температура необхідна для того, щоб дати ядрам достатньо кінетичної енергії, щоб подолати дуже сильні сили відштовхування, що виникають внаслідок позитивних зарядів на їх ядрах, щоб вони могли зіткнутися.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Злиття дейтерію з тритієм, що створює гелій-4, звільняючи нейтрон і вивільняючи 17,59 МеВ енергії, як відповідна кількість зміни маси форми, що з'являються як кінетична енергія продуктів, узгоджується з кінетичною\(E = Δmc^2\), де Δm - зміна маси спокою частинок. [Використання зображення з дозволу через Вікіпедію (Wykis)

Найважливішим процесом злиття в природі є той, який керує зірками. У 20 столітті було усвідомлено, що енергія, що виділяється в результаті ядерних реакцій синтезу, припадає на довголіття Сонця та інших зірок як джерела тепла і світла. Злиття ядер у зірці, починаючи з її початкової кількості водню та гелію, забезпечує цю енергію та синтезує нові ядра як побічний продукт цього процесу злиття. Основним виробником енергії на Сонці є злиття водню з утворенням гелію, яке відбувається при температурі сонячного ядра 14 мільйонів кельвінів. Чистий результат - злиття чотирьох протонів в одну альфа-частинку, з вивільненням двох позитронів, двох нейтрино (що змінює два протони в нейтрони), і енергії (рис.\(\PageIndex{7}\)).

Малюнок\(\PageIndex{7}\): (зліва) Сонце є зіркою головної послідовності, і таким чином генерує свою енергію шляхом ядерного синтезу ядер водню в гелій. У своїй основі Сонце щосекунди сплавляє 620 мільйонів метричних тонн водню. (праворуч) Протонно-протонний ланцюг домінує в зірках розміром з Сонце або менше.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Обчисліть енергію, що виділяється в кожному з наступних гіпотетичних процесів.

\(\ce{3 ^4_2He \rightarrow ^{12}_6C}\)
\(\ce{6 ^1_1H + 6 ^1_0n \rightarrow ^{12}_6C}\)
\(\ce{6 ^2_1D \rightarrow ^{12}_6C}\)

Рішення

\(Q_a = 3 \times 4.0026 - 12.000) \,amu \times (1.4924\times 10^{-10} \,J/amu) = 1.17 \times 10^{-12} \,J\)
\(Q_b = (6 \times (1.007825 + 1.008665) - 12.00000)\, amu \times (1.4924\times 10^{1-0} J/amu) = 1.476\times 10^{-11} \,J\)
\(Q_c = 6 \times 2.014102 - 12.00000 \, amu \times (1.4924\times 10^{-10} \, J/amu) = 1.263\times 10^{-11}\, J\)

Злиття,\(\ce{He}\) щоб дати\(\ce{C}\) вивільняє найменшу кількість енергії, тому що синтез виробляти Він випустив велику кількість. Різниця між другим і третім полягає в енергії зв'язку дейтерію. Збереження маси і енергії добре проілюстровано в цих розрахунках. З іншого боку, розрахунок заснований на збереженні маси і енергії.

Ядерні реактори

Корисні реакції синтезу вимагають дуже високих температур для їх ініціювання - близько 15 000 000 К або більше. При цих температурах всі молекули дисоціюються на атоми, а атоми іонізуються, утворюючи плазму. Ці умови відбуваються у надзвичайно великій кількості місць у всьому Всесвіті - зірки живляться від злиття. Люди вже з'ясували, як створити температури, досить високі, щоб досягти злиття у великих масштабах в термоядерній зброї. Термоядерна зброя, така як воднева бомба, містить бомбу ядерного поділу, яка при вибуху виділяє достатньо енергії для отримання надзвичайно високих температур, необхідних для синтезу.

Дві фотографії показані і марковані «a» і «b». На фото показана модель реактора ITER, що складається з барвистих компонентів. Фото б показує крупним планом кінець довгої механічної руки, що складається з багатьох металевих компонентів. — Рисунок\(\PageIndex{8}\): (а) Ця модель являє собою реактор Міжнародного термоядерного експериментального реактора (ITER). В даний час будується на півдні Франції з очікуваною датою завершення 2027 року, ITER буде найбільшим у світі експериментальним ядерним термоядерним термоядерним реактором Токамак з метою досягнення великих\ разів 10^ {масштаб стійкого виробництва енергії. (b) У 2012 році Національний об'єкт запалювання в Національній лабораторії Лоуренса Лівермора коротко виробляв понад 500 000 000 Вт (500 терават, або 500 ТВт) пікової потужності і поставив 1850,000 джоулів (1.85 МДж) енергії, найбільша лазерна енергія коли-небудь вироблена і 1000 разів використання енергії всього Об'єднаного Держави в будь-який момент. Незважаючи на те, що триває лише кілька мільярдів секунди, лазери 192 досягли умов, необхідних для запалювання ядерного синтезу. Це зображення показує ціль перед лазерним пострілом. (Кредит: модифікація роботи Стефана Мозеля)

Ще один набагато вигідніший спосіб створення реакцій синтезу - це термоядерний реактор, ядерний реактор, в якому контролюються реакції синтезу легких ядер. Оскільки жодні тверді матеріали не стійкі при таких високих температурах, механічні пристрої не можуть містити плазму, в якій відбуваються реакції плавлення. Два методи утримання плазми при щільності та температурі, необхідних для реакції синтезу, в даний час знаходяться в центрі інтенсивних дослідницьких зусиль: стримування магнітним полем та використанням сфокусованих лазерних променів (рис.\(\PageIndex{8}\)). Ряд великих проектів працює над досягненням однієї з найбільших цілей в науці: отримання водневого палива для запалювання та отримання більше енергії, ніж кількість, що подається для досягнення надзвичайно високих температур і тиску, необхідних для плавлення. На момент написання статті у світі не існувало самоокупних реакторів термоядерного синтезу, хоча невеликі контрольовані реакції синтезу виконувалися протягом дуже коротких періодів.

Дописувачі та атрибуція

Template:ContribOpenStax