Тэрмаядзерная рэакцыя

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці
Ядзерная фізіка
CNO Cycle.svg
Атамнае ядро · Радыеактыўны распад · Ядзерная рэакцыя · Тэрмаядзерная рэакцыя
Гл. таксама «Фізічны партал»


Ядзерныя працэсы
Радыеактыўны распад

Ядзерны сінтэз


Схема рэакцыі дэйтэрый-трытый
Аніміраваная схема рэакцыі дэйтэрый-трытый.

Тэрмаядзерная рэакцыя — разнавіднасць ядзернай рэакцыі, пры якой лёгкія атамныя ядры аб'ядноўваюцца ў больш цяжкія, за кошт кінетычнай энергіі іх цеплавога руху.

Паходжанне тэрміна[правіць | правіць зыходнік]

Для таго, каб адбылася ядзерная рэакцыя, зыходныя атамныя ядры павінны пераадолець так званы «кулонаўскі бар'ер" — сілу электрастатычнага адштурхвання паміж імі. Для гэтага яны павінны мець вялікую кінетычную энергію. Згодна з кінетычнай тэорыяй, кінетычную энергію мікрачасціц рэчыва (атамаў, малекул або іонаў) можна прадставіць у выглядзе тэмпературы, а такім чынам, награваючы рэчыва, можна дасягнуць ядзернай рэакцыі. Менавіта гэтую ўзаемасувязь награвання рэчыва і ядзернай рэакцыі і адлюстроўвае тэрмін «тэрмаядзерная рэакцыя».

Кулонаўскі бар'ер[правіць | правіць зыходнік]

Атамныя ядры маюць станоўчы электрычны зарад. На вялікіх адлегласцях іх зарады могуць быць экранаваныя электронамі. Аднак, для таго, каб адбылося зліццё ядраў, яны павінны наблізіцца на адлегласць, на якой дзейнічае моцнае ўзаемадзеянне. Гэта адлегласць — парадку памеру саміх ядраў і ў шмат разоў менш памеру атама. На такіх адлегласцях электронныя абалонкі атамаў (нават, калі б яны захаваліся) ужо не могуць экранаваць зарады ядраў, таму яны адчуваюць моцнае электрастатычнае адштурхванне. Сіла гэтага адштурхоўвання, у адпаведнасці з законам Кулона, адваротна прапарцыйная квадрату адлегласці паміж зарадамі. На адлегласцях парадку памеру ядраў велічыня моцнага ўзаемадзеяння, якое імкнецца іх звязаць, пачынае хутка ўзрастаць і становіцца больш велічыні кулонаўскага адштурхоўвання.

Такім чынам, каб уступіць у рэакцыю, ядры павінны пераадолець патэнцыйны бар'ер. Напрыклад, для рэакцыі дэйтэрый-трытый велічыня гэтага бар'ера складае прыкладна 0,1 МэВ. Для параўнання, энергія іанізацыі вадароду — 13 эВ. Таму рэчыва, якое ўдзельнічае ў тэрмаядзернай рэакцыі, будзе ўяўляць сабой практычна цалкам іанізаваную плазму.

Тэмпература, эквівалентная 0,1 МэВ, прыблізна роўная 109 К, аднак ёсць два эфекты, якія зніжаюць тэмпературу, неабходную для тэрмаядзернай рэакцыі:

  • Па-першае, тэмпература характарызуе толькі сярэднюю кінетычную энергію, ёсць часціцы як з меншай энергіяй, так і з большай. На самай справе ў тэрмаядзернай рэакцыі ўдзельнічае невялікая колькасць ядраў, якія маюць энергію нашмат больш за сярэднюю (т. зв. «Хвост максвелаўскага размеркавання»).
  • Па-другое, дзякуючы квантавым эфектам, ядры не абавязкова павінны мець энергію, якая перавышае кулонаўскі бар'ер. Калі іх энергія крыху менш бар'ера, яны могуць з вялікай імавернасцю тунэляваць скрозь яго.

Мюонны каталіз[правіць | правіць зыходнік]

Тэрмаядзерная рэакцыя можа быць істотна аблегчана пры увядзенні ў рэакцыйную плазму адмоўна зараджаных мюонаў.

Мюоны μ-, уступаючы ва ўзаемадзеянне з тэрмаядзерным палівам, ўтвараюць мезамалекулы, у якіх адлегласць паміж ядрамі атамаў паліва некалькі менш, што палягчае іх збліжэнне і, акрамя таго, павышае імавернасць тунэлявання ядраў праз кулонаўскі бар'ер.

Лік рэакцый сінтэзу Xc, якія ініцыююцца адным мюонам, абмежаваны велічынёй каэфіцыента прыліпання мюона. Эксперыментальна ўдалося атрымаць значэнні Xc ~ 100, г. зн. адзін мюон здольны вызваліць энергію ~ 100 × Х МэВ, дзе Х — энергетычны выхад каталізуемай рэакцыі.

Пакуль велічыня энергіі, што вызваляецца, менш, чым энергетычныя затраты на вытворчасць самога мюона (5-10 ГэВ). Такім чынам, мюонны каталіз пакуль энергетычна нявыгадны працэс. Камерцыйна выгадная вытворчасць энергіі з выкарыстаннем мюоннага каталізу магчыма пры Xc — 104.[1]

Тэрмаядзерныя рэакцыі[правіць | правіць зыходнік]

(1) D + T   4He (3.5 MeV) +   n (14.1 MeV)  
(2а) D + D   T (1.01 MeV) +   p (3.02 MeV)         (55 %)
(2б)         3He (0.82 MeV) +   n (2.45 MeV)         (45%)
(3) D + 3He   4He (3.9 MeV) +   p (14.7 MeV)
(4) T + T   4He   + n + 11.3 MeV
(5) 3He + 3He   4He   + p  
(6а) 3He + T   4He   +   p   + n + 12.1 MeV   (51 %)
(6б)         4He (4.8 MeV) +   D (9.5 MeV)         (43 %)
(6в)         4He (0.5 MeV) +   n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV)   (6 %)
(7) D + 6Li 4He[2] + 22.4 MeV -
(8) p + 6Li   4He (1.7 MeV) +   3He (2.3 MeV)-
(9) 3He + 6Li 4He   +   p + 16.9 MeV
(10) p + 11B 4He + 8.7 MeV

Ужыванне[правіць | правіць зыходнік]

Ужыванне тэрмаядзернай рэакцыі як практычна невычэрпнай крыніцы энергіі звязана ў першую чаргу з перспектывай асваення тэхналогіі кіраванага тэрмаядзернага сінтэзу (КТС). У цяперашні час навуковая і тэхналагічная база не дазваляе выкарыстоўваць КТС ў прамысловых маштабах.

Разам з тым, непадуладная тэрмаядзерная рэакцыя знайшла сваё ўжыванне ў ваеннай справе. Упершыню тэрмаядзернае выбуховае прыстасаванне было выпрабаванае ў лістападзе 1952 года ў ЗША, а ўжо ў жніўні 1953 года ў Савецкім Саюзе выпрабавалі тэрмаядзерную выбуховую прыладу ў выглядзе авіябомбы. Магутнасць тэрмаядзернага выбуховага прыстасавання (у адрозненне ад атамнага) абмежаваная толькі колькасцю матэрыялу, які выкарыстоўваецца для яго стварэння, што дазваляе ствараць выбуховыя прылады практычна любой магутнасці.

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]

Зноскі

  1. Мюонный катализ и ядерный бридинг, С.С. Герштейн, Ю.В. Петров, Л.И. Пономарев
  2. Гэта сумарны запіс паліўнага цыклу DT рэакцыі з вытворчасцю T праз Li