11.7: ядерний синтез

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18157

$ \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}}$

Як ми бачили в попередньому розділі, коли розщеплюються ядра важких атомів, виділяється енергія. Для атомів світла все навпаки; коли ці ядра об'єднуються (зливаються), енергія виділяється. Це процес ядерного синтезу. Злиття світлових елементів, переважно водню, - це сила, яка забезпечує вивільнення енергії на сонці та в сонцеподібних зірках. Уявіть сонце як величезну сферу водню. Оскільки зірка настільки масивна, тяжіння на атомах водню достатньо, щоб подолати відштовхування між двома ядрами, щоб змусити їх разом утворити нестабільну ${\ стиль відображення {} _ {2} ^ {2} {\ text {Він}}}$ ядро. Це відразу ж викидає позитрон, залишаючи дейтерій, ${\ стиль відображення {} _ {1} ^ {2} {\ text {H}}}$ , І вивільняючи значну кількість енергії. У каскаді реакцій дейтерій сплавляється з іншим воднем, щоб дати ${\ стиль відображення {} _ {2} ^ {3} {\ text {Він}}}$ , і два з них об'єднуються, утворюючи гелій, викидаючи два високоенергетичних протони в процесі.

У зірках, які більші і важчі за наше сонце, «потрійний альфа-процес» є домінуючою ядерною реакцією. При цьому ядра гелію зливаються, щоб в кінцевому підсумку утворювати вуглець, виділяючи значну енергію в процесі.

Однією з великих проблем у фізиці та техніці сьогодні є відтворення такого роду злиття в контрольованих умовах, збираючи енергію, що виділяється, і перетворюючи її, побічно, в електричну енергію. Надзвичайно високі температури та тиск, необхідні для ініціювання та підтримки реакцій синтезу, до цих пір зірвали спроби побудувати термоядерний реактор, який є «беззбитковим» з точки зору енергії, що виділяється відносно енергії, необхідної для створення подій синтезу. Безконтрольне злиття, безумовно, можливо, і термоядерні бомби існують, але вони, як правило, використовують вдосконалену бомбу поділу для створення температур і тиску, необхідних для сприяння злиття більш легких елементів. Зрозуміло, що такий підхід не працює в лабораторії! Робота над реакторами злиття триває швидкими темпами і включає нові підходи, такі як реакції аневтронного синтезу, які використовують синтез протон-бору для отримання заряджених частинок, а не шквалу нейтронів. Перевага тут полягає в тому, що виробляється мало нейтронів, зменшуючи потребу в екрануванні, а утворені заряджені частинки потенційно можуть бути захоплені безпосередньо як електрику.