Ядерный синтез
-
Ядерный синтез
- Реакция, при которой два или более атомных ядра объединяются с образованием новых ядер и субатомных частиц.
- Разница в массе между реагентами и продуктами приводит к выделению или поглощению энергии.
- Процесс ядерного синтеза приводит к выделению энергии при слиянии легких ядер.
-
История ядерного синтеза
- Уильям Дрейпер Харкинс предложил концепцию ядерного синтеза в 1915 году.
- Артур Эддингтон предположил, что водородно-гелиевый синтез является основным источником звездной энергии в 1921 году.
- В 1932 году Марк Олифант осуществил лабораторный синтез изотопов водорода.
- В 1952 году был осуществлен успешный ядерный синтез при испытании водородной бомбы.
-
Современные исследования
- Исследования в области термоядерного синтеза начались в 1940-х годах.
- В 2022 году США успешно осуществили безубыточный термоядерный синтез.
- Разрабатываются проекты тороидального реактора ITER, который должен начать работу в 2025 году.
-
Процесс ядерного синтеза
- Высвобождение энергии происходит за счет взаимодействия ядерного и кулоновского взаимодействий.
- Более легкие ядра могут сливаться, высвобождая энергию, но для более крупных ядер энергия не выделяется.
- Термоядерный синтез питает звезды и производит практически все элементы.
-
Ядерный синтез в звездах
- Звезды, включая Солнце, вырабатывают энергию путем ядерного синтеза водорода в гелий.
- В зависимости от массы звезды, задействованы различные цепочки реакций.
- Артур Эддингтон предвосхитил открытие ядерного синтеза в звездах в 1920 году.
-
Исторический контекст
- Наблюдения за переменными звездами-цефеидами показали, что они не могут быть источником энергии.
- Эйнштейн показал, что небольшое количество вещества эквивалентно большому количеству энергии.
- Астон показал, что масса атома гелия меньше массы четырех атомов водорода.
-
Термоядерный синтез
- Звезды получают энергию через синтез водорода с образованием гелия.
- В более тяжелых звездах важны другие процессы, такие как цикл CNO.
- Термоядерный синтез происходит при температуре 14 миллионов Кельвинов.
-
Энергетические барьеры
- Электростатические силы отталкивают ядра на больших расстояниях.
- Квантовое туннелирование позволяет преодолеть кулоновский барьер.
- Энергия связи на нуклон увеличивается до элементов железа и никеля, затем уменьшается для более тяжелых ядер.
-
Исключения и особенности
- Ядро гелия-4 обладает аномально высокой энергией связи.
- Ядра гелия-4 и лития имеют разные энергетические состояния.
- Ядро гелия-4 рассматривается как альфа-частица.
-
Термоядерные реакции
- Термоядерный синтез требует высоких температур для преодоления кулоновского барьера.
- Энергия, необходимая для преодоления барьера, составляет 0,1 МэВ.
- Температура, необходимая для преодоления барьера, превышает 1,2 миллиарда Кельвинов.
-
Искусственное слияние
- Термоядерный синтез возможен при высоких температурах.
- Существуют две формы термоядерного синтеза: неконтролируемый и управляемый.
- Управляемый синтез позволяет использовать энергию в конструктивных целях.
-
Термоядерный синтез и его методы
- Термоядерный синтез — метод получения термоядерной энергии.
- Термоядерный синтез может значительно сократить выбросы углекислого газа.
-
Методы ускорения ионов
- Синтез легких ионов на ускорителях использует ускорители частиц.
- Ускорение ионов требует вакуумной трубки, пары электродов и высоковольтного трансформатора.
- Термоядерный синтез возможен при напряжении между электродами 10 кВ.
-
Проблемы термоядерного синтеза на ускорителях
- Поперечные сечения термоядерного синтеза меньше, чем кулоновского взаимодействия.
- Ионы расходуют энергию на излучение тормозного излучения и ионизацию атомов мишени.
-
Нейтронные генераторы
- Нейтронные генераторы используют дейтерий и тритий для термоядерного синтеза.
- Ежегодно производятся сотни нейтронных генераторов для нефтяной промышленности.
-
Попытки рециркуляции ионов
- Компания Migma использовала кольцо для хранения частиц для рециркуляции ионов.
- Норманом Ростокером предложена схема с обратным расположением полей (FRC).
- Helion Energy изучает объединение двух FRC.
-
Термоядерный синтез, катализируемый мюонами
- Процесс термоядерного синтеза при обычных температурах.
- Неудачен из-за высокой энергии и короткого периода полураспада мюонов.
-
Другие принципы удержания
- Инициированный антивеществом термоядерный синтез требует антивещества.
- Пироэлектрический синтез использует пироэлектрический кристалл и вольфрамовую иглу.
- Гибрид ядерного синтеза и деления предлагает комбинацию процессов ядерного синтеза и деления.
-
Ограничение свободы при термоядерном синтезе
- Плазма должна находиться в вакууме и под высоким давлением.
- Гравитационное удержание возможно только у звезд.
- Магнитное удержание использует сильное магнитное поле.
- Инерционное удержание использует взрывное сжатие топлива.
- Электростатическое удержание использует электростатические поля.
-
Проблемы термоядерного синтеза
- Низкая скорость плавления из-за конкурирующих физических эффектов
- Предложены конструкции для создания поля с использованием ненейтрального облака
-
Методы инерционного электростатического удержания
- Термоядерный метод является наиболее известным
- Любители занимаются любительским фьюжном с 1999 года
-
Критерии и кандидаты для наземных реакций
- Реакции с большим поперечным сечением предпочтительны
- Нейтроны могут быть полезны, но требуют радиационной защиты
-
Реакции с нейтронами
- Реакции с нейтронами важны для «размножения» трития
- 7Li имеет высокое нейтронное сечение при высоких энергиях
-
Изобилие термоядерного топлива
- Любая реакция может быть использована для производства энергии
- Учитываются температура, поперечное сечение и энергия продуктов синтеза
-
Нейтронность и требования к локализации
- Нейтронность важна для радиационной защиты и безопасности
- Реагенты должны быть смешаны в оптимальных пропорциях
-
Сравнение реакций
- Реакции сравниваются по максимальным значениям ⟨σv⟩/T2 и коэффициентам «штраф/премия»
- Реакция 21D-31T имеет наибольшую обратную реактивность
-
Критерий Лоусона и плотность мощности
- Критерий Лоусона взвешивает результаты реакций по Ech.
- Плотность мощности показывает практическое значение реактивности по Efu.
- Удельная мощность термоядерного синтеза в других реакциях ниже, чем в 21D–31T.
-
Потери тормозного излучения
- Ионы в плазме смешиваются с электронами, образуя плазму.
- Электроны испускают рентгеновское излучение, которое поглощается стенками реактора.
- Соотношение мощности термоядерного синтеза и тормозного излучения зависит от температуры.
-
Фактическое соотношение мощностей
- Энергия продуктов термоядерного синтеза частично передается электронам.
- В плазме содержатся примеси, снижающие соотношение мощностей.
- Продукты термоядерного синтеза должны оставаться в плазме до потери энергии.
-
Температуры и удельная мощность
- Оптимальная температура для 21D–31T выше, чем для других реакций.
- Для 21D–21D и 21D–32He потери тормозного излучения значительны.
- Для 32He–32He, p+–63Li и p+–115B потери делают термоядерный реактор невозможным.
-
Математическое описание поперечного сечения
- Термоядерный синтез возможен благодаря квантовой механике.
- Поперечное сечение описывает вероятность слияния частиц.
- Поперечное сечение включает геометрическое сечение, прозрачность барьера и характеристики реакции.
-
Формулы поперечных сечений
- Поперечное сечение определяется как функция энергии частицы.
- Бош-Хейл и Военно-морская исследовательская лаборатория предоставляют формулы для поперечных сечений.
-
Усредненные по Максвеллу ядерные сечения
- В термоядерных системах частицы находятся в распределении Максвелла-Больцмана.
- Формулировка NRL Fusion предоставляет усредненные по Максвеллу значения реактивности.