Fuzja nuklearna

Fuzja deuteru i trytu w celu utworzenia jądra helu
Energia wiązania na nukleon w funkcji liczby masowej

Po fuzji jądrowejreakcje jądrowe dotyczą operacji, gdzie dwa jądra atomowe bezpiecznik do nowego rdzenia. Reakcje syntezy jądrowej powodują, że słońce i wszystkie świecące gwiazdy promieniują energią .

Przekrój , miara prawdopodobieństwa reakcji zderzających się jąder ze sobą, ma decydujące znaczenie dla powstania fuzji . Przekrój jest zwykle wystarczająco duży tylko wtedy, gdy dwa rdzenie zderzają się ze sobą z dużą energią. Jest to konieczne do pokonania bariery kulombowskiej , odpychania elektrycznego między dodatnio naładowanymi jądrami, lub do przejścia przez jej wąskie maksimum . Poza przegrodę, przy odległości tylko 10 -15  M, przyciąganie przeważa przez silne oddziaływania i jądrach bezpiecznika siebie.

Reakcje fuzji mogą być egzotermiczne (uwalnianie energii) lub endotermiczne (energia pochłaniania). Egzotermiczne reakcje fuzji mogą utrzymywać wysokie temperatury niezbędne do tego, aby energia cieplna prowadziła do dalszych reakcji fuzji. Takie procesy termojądrowe zachodzą w gwiazdach i bombach fuzyjnych pod ekstremalnym ciśnieniem. W przeciwieństwie do rozszczepienia jądrowego , reakcja łańcuchowa z reakcjami fuzji nie jest możliwa.

Reakcja fuzji pokazana powyżej jako proces termojądrowy ma być w przyszłości wykorzystana do wytwarzania energii elektrycznej w reaktorach syntezy jądrowej : Jądra deuteru ( 2 H) i trytu ( 3 H) ulegają fuzji tworząc jądro helu ( 4 He), uwalniając neutronów (n) i energii (3, 5  MeV + 14,1 MeV).

Poniższy rysunek pokazuje, że energia wiązania na nukleon z tych izotopów . Energia jest uwalniana z reakcjami w kierunku rosnącym krzywej lub jest wymagana w przypadku kierunku malejącego. Fuzja wodoru (H) z helem-4 uwalnia dużo energii.

Badania nad syntezą jądrową

Pierwszą zaobserwowaną reakcją jądrową była (endotermiczna) reakcja fuzji. Został odkryty – na długo przed rozszczepieniem jądrowym – przez Ernesta Rutherforda w 1917 roku podczas eksperymentów z cząstkami alfa . Znaleziono protony o stosunkowo wysokiej energii, które pojawiły się dopiero wtedy, gdy napromieniowany gaz zawierał azot. Ta reakcja jądrowa nazywana jest w dzisiejszym zapisie 14 N (α, p) 17 O lub szczegółowo napisana:

Ta konwersja azotu w tlen , podobnie jak sam rozpad alfa , była sprzeczna z klasyczną teorią, według której barierę Coulomba można pokonać tylko przy wystarczającej energii. Dopiero w 1928 roku George Gamow był w stanie wyjaśnić takie procesy na podstawie nowej mechaniki kwantowej z efektem tunelu .

Już w 1920 Arthur Eddington sugerował reakcje syntezy jądrowej jako możliwe źródło energii gwiazd w oparciu o precyzyjne pomiary mas izotopów dokonane przez Francisa Williama Astona (1919) . Ponieważ z obserwacji spektroskopowych wiadomo było, że gwiazdy w dużej mierze składają się z wodoru , rozważano tutaj jego fuzję w hel . W 1939 roku Hans Bethe opublikował różne mechanizmy, w jaki sposób ta reakcja może zachodzić w gwiazdach.

Pierwszą reakcją fuzja specjalnie przeprowadzone w laboratorium było bombardowanie deuteru z jądrami deuteru w 1934 roku przez Mark Oliphant , asystent Rutherforda i Pawła Harteck . Fuzja tego izotopu wodoru, który jest rzadki w gwiazdach, rozgałęzia się na dwa kanały produktowe:

Techniczne wykorzystanie termojądrowej syntezy jądrowej zostało po raz pierwszy podjęte w celu opracowania broni wojskowej. Stąd badania te prowadzone były w tajemnicy przez pierwsze dziesięciolecia po II wojnie światowej . Stany Zjednoczone były w posiadaniu bomby atomowej opartej na rozszczepieniu od 1945 roku, a Związek Radziecki od 1949 roku . W kolejnych latach Edward Teller i Stanisław Ulam opracowali koncepcję budowy bomby wodorowej w USA , która oparta jest na fuzji jądrowej i obiecywała znacznie wyższą moc wybuchu. W dniu 1 listopada 1952 roku, pierwsza bomba wodorowa nazywane Ivy Mike została zdetonowana w Eniwetok atolu na Pacyfiku. Dostarczyło to dowodu, że duże ilości energii mogą być również uwalniane na Ziemi poprzez fuzję jądrową.

Balans energetyczny

Czy masa jąder lub cząstek utworzonych w fuzji jest mniejsza niż suma masy jąder wyjściowych, różnica mas wynosi , tak jak w przypadku każdej reakcji jądrowej do tej formuły ekwiwalentu masy i energii pochodzącej z Einsteina uwolnionej w postaci energii (jako energia kinetyczna produktów reakcji i ewentualnie promieniowanie elektromagnetyczne). Egzotermiczne, tj. reakcje fuzji uwalniające energię zachodzą tylko wtedy, gdy lekkie jądra łączą się ze sobą, ponieważ energia wiązania na nukleon wzrasta tylko wraz ze wzrostem liczby masowej aż do pierwiastka żelaza (izotop 58 Fe). Jest jednak bardzo duży w reakcjach generujących hel-4: konwersja jednego grama mieszaniny deuteru z trytem w reaktorze syntezy jądrowej wytworzyłaby energię cieplną o wartości około 100 megawatogodzin (MWh) lub 12,3  ton TCE .

Poprzednie eksperymenty dotyczące kontrolowanej syntezy termojądrowej nie wykazały jeszcze dodatniego bilansu energetycznego. Do tej pory największy sukces odniósł brytyjski JET ( Joint European Torus ), który był w stanie osiągnąć szczytową moc 16 MW w czasie krótszym niż sekundę. 65 procent włożonej energii można odzyskać jako energię syntezy jądrowej.

Gwiezdna fuzja jądrowa

Reakcja proton-proton i kontynuacja aż do powstania He-4

W wielu gwiazdach, takich jak nasze Słońce, długa faza spalania wodoru jest na początku rozwoju. Podczas tego okresu, w głównej gwiazdy sekwencji, protonów , z jąder atomowych z wodoru , bezpiecznik do postaci helu , uwalniając energię . W średnio dużych gwiazdach dzieje się to głównie poprzez łańcuch reakcji znany jako reakcja proton-proton ; w wyższych temperaturach ważniejszy staje się cykl Bethe-Weizsäcker . W tych łańcuchach reakcji powstają neutrina o charakterystycznym rozkładzie energii, których pomiar dostarcza informacji o wnętrzu Słońca.

Kiedy w jądrze gwiazdy ciągu głównego zaczyna brakować wodoru, zaczyna się fuzja helu . Większe gwiazdy ze względu na swoją masę generują również większe ciśnienie grawitacyjne, co oznacza, że ​​gęstość i temperatura osiągają wyższe wartości, a w efekcie fuzji powstają też cięższe pierwiastki. Proces ten prowadzi do powstania jąder w zakresie maksimum energii wiązania na nukleon (liczby masowe około 60, z rozszerzeniami do około 70). Nie można już jednak w ten sposób tworzyć pierwiastków o jeszcze większych liczbach masowych, ponieważ takie fuzje są coraz bardziej endotermiczne , tj. H. dostarczają mniej energii niż potrzebują na własne utrzymanie. Powstają w wyniku akumulacji neutronów ( proces s i r ) i protonów ( proces p ) (patrz supernowa, zapadanie się jądra ).

Reakcje syntezy z różnymi materiałami wyjściowymi wymagają różnych temperatur. W gwiazdach następują kolejno różne reakcje. Kiedy paliwo zostaje zużyte do reakcji, gwiazda kurczy się, co zwiększa jej centralną temperaturę. Może wtedy rozpocząć się nowa reakcja, która wymaga tej wyższej temperatury.

Reakcje syntezy jądrowej dla technicznej produkcji energii

Możliwe materiały wejściowe i reakcje

Reakcja pp jest o wiele za wolna do technicznego zastosowania termojądrowego. Nawet w jądrze Słońca średnia długość życia protonu do momentu reakcji wynosi około dziesięciu miliardów lat. Ale również wszystkie reakcje syntezy jądrowej, które są kwestionowane do użytku technicznego, zachodzą między bardzo lekkimi jądrami atomowymi, a ich przyrost energii tłumaczy się generowaniem jąder helu-4 o wysokiej energii wiązania na nukleon. Jedna z rozważanych reakcji, reakcja proton-bor-11 (ostatni wiersz poniższej tabeli), wcale nie jest fuzją w rozumieniu powyższej definicji - nie powstaje jądro cięższe od jądra wyjściowego - ale wytwarza to samo dla każdej reagującej pary jąder trzy jądra helu-4. Ta reakcja jest zwykle liczona jako część „fuzji jądrowej”.

Koncepcje reaktorów do fuzji jądrowej opierają się na fuzji deuteru i trytu, zwanej dalej DT. Inne reakcje fuzji miałyby przewagę nad DT, w szczególności w odniesieniu do radioaktywności wynikającej z aktywacji materiałów ścianek lub łatwiejszego wykorzystania energii reakcji. Jednak ze względu na mniejszy zysk energetyczny na pojedynczą reakcję, potrzebę znacznie wyższych temperatur plazmy lub brak dostępności materiałów wyjściowych, na razie stanowią one jedynie teoretyczne możliwości wytwarzania energii.

W poniższej tabeli wymieniono możliwe paliwa, produkty reakcji i uwolnioną energię. W przypadku reakcji z różnymi możliwymi produktami końcowymi podano procenty kanałów reakcyjnych.

Jeśli istnieją tylko dwie cząstki produktu, mają one określone, dobrze zdefiniowane energie kinetyczne zgodnie z kinematykami (jeśli pominie się energię uderzenia w kanale wejściowym) . Z drugiej strony w przypadku reakcji z więcej niż dwoma cząstkami produktu można podać tylko całkowitą uwolnioną energię.

Nie. Surowy materiał Produkty
(1) 2 D  3 T  4 He  (3,5  MeV ) + n 0  (14,1 MeV)
(2a) 2 + 2 3 T (1,01 MeV) + p +  (3,02 MeV) (do 50%)
(2 B) 2 + 2 3 He (0,82 MeV) + n 0  (2,45 MeV) (do 50%)
(3) 2 + 3 On 4 He (3,6 MeV) + p +  (14,7 MeV)
(4) 3 T + 3 T 4 On + 2 n + 11,3 MeV
(5) 3 On + 3 On 4 On + 2 godz + 12,9 MeV
(6a) 3 On + 3 T 4 On + p + nie + 12,1 MeV (do 57%)
(6b) 3 On + 3 T 4 He (4,8 MeV) + 2 D (9,5 MeV) (do 43%)
(7a) 2 D + 6 li 4 He (11,2 MeV każdy)
(7b) 3 On + 4 On + nie + 1,8 MeV
(7c) 7 Li (0,6 MeV) + p (4,4 MeV)
(7d) 7 być  (0,4 MeV) + n (3,0 MeV)
(8.) p + 6 li 4 He (1,7 MeV) + 3 He (2,3 MeV)
(9) 3 On + 6 li 4 On + p + 16,9 MeV
(10) p + 11 B 4 On 8,7 MeV

Deuter / tryt

W przypadku reaktorów syntezy jądrowej na Ziemi mieszanina równych części izotopów wodoru deuteru (D) i trytu (T) jest zdecydowanie najbardziej obiecującym paliwem. Aby ta reakcja fuzji - reakcja (1) w powyższej tabeli - zaszła niezależnie, musi być spełnione kryterium Lawsona (minimalna wartość iloczynu temperatury, gęstości cząstek i czasu inkluzji energii ). Skutkuje to wymaganą temperaturą ok. 150 mln K (dziesięć razy wyższą niż w jądrze Słońca) i ciśnieniem kilku barów (kilka rzędów wielkości niższym niż w jądrze Słońca). Przy tych technicznie osiągalnych wartościach przekrój reakcji DT jest znacznie większy niż w pierwszym etapie reakcji proton-proton.

Aby wykorzystać reakcję DT jako źródło energii na Ziemi, w ramach współpracy międzynarodowej opracowywane są reaktory termojądrowe z magnetycznym zamknięciem plazmy, przy czym głównym celem do chwili obecnej (2020) jest generowanie stabilnej plazmy. Do tego celu stosuje się prawie wyłącznie wodór, deuter lub ich mieszaniny, a radioaktywny tryt jest używany tylko w rzadkich przypadkach. Większość problemów plazmowo-fizycznych i technicznych związanych z ogrzewaniem, stabilizacją i diagnostyką można zbadać za pomocą wodoru i deuteru. Czas przechowywania energii wymagany do spełnienia kryterium Lawsona nie został jeszcze osiągnięty; poprzednie (stan na 2016 r.) obiekty testowe są na to za małe. Fuzja DT została zademonstrowana z JET przez krótki czas. fizyczny przyrost energii, tj. H. uwolnienie energii przekraczające energię zużywaną do ogrzewania plazmowego ma zostać osiągnięte dzięki ITER . Wraz z DEMO planowana jest pierwsza produkcja energii elektrycznej .

Deuter / Deuter

Dwa kanały reakcji są mniej więcej równie częste:

W przypadku elektrowni wadami w porównaniu z DT są znacznie mniejsze zyski energii i znacznie mniejszy efektywny przekrój , co zwiększa wymagany czas przechowywania. Jeśli konwersja reakcji DD jest znaczna (zwłaszcza w bombach), reakcja DT zachodzi jako następna reakcja, a także następujące reakcje:

Deuter / Hel-3 i Hel-3 / Hel-3

Helium- 3 Jądro jest lustro rdzeń z pierścieniem trytem: zawiera 2 protony i 1 neutronu zamiast 1 proton i 2 neutrony. D- 3 reakcji on (nr (3) do tabeli), już wymieniono powyżej, w następnej reakcji do syntezy deuteru i deuter, a zatem stanowi hel-4 jądro i protonów 15 MeV energii. Należy jednak przezwyciężyć wyższe odpychanie podwójnie naładowanego jądra helu-3. Konwersja energii kinetycznej protonu do postaci użytkowej byłaby łatwiejsza niż w przypadku neutronu. Jednocześnie jony deuteru również reagowałyby ze sobą, tworząc protony i tryt lub tworząc neutrony i hel-3. To również wytworzyłoby neutrony. Jeśli tryt nie zostanie usunięty z gazu reakcyjnego, reakcje DT również prowadzą do uwolnienia neutronów.

W reaktorze termojądrowym działającym wyłącznie z 3 He (reakcja (5)) radioaktywność byłaby znacznie mniejsza, ponieważ wytwarzane jest tylko jądro He-4 i protony. Jednak potrzebujesz odpowiedzi

nawet większe siły odpychające zostają pokonane. W wysokich temperaturach plazmy tryt byłby wynikiem odwrotnego rozpadu beta z He-3 i elektronów z określoną szybkością reakcji .

Podstawowa trudność polega na dostępności He-3, który na Ziemi jest dostępny tylko w niewielkich ilościach. W skałach księżycowych wykryto większe ilości He-3. Aby możliwe było wydobycie na Księżycu i transport na Ziemię, należałoby udowodnić techniczną wykonalność i zważyć stosunek kosztów do korzyści.

Inne możliwe paliwa

W porównaniu z sąsiednimi nuklidami jądro atomowe He-4 ma szczególnie wysoką energię wiązania na nukleon; Wyjaśnia to duży zysk energetyczny reakcji DT (patrz wyżej), a zatem inne reakcje z lżejszymi nuklidami, o ile wytwarzają He-4, są wyobrażalne jako źródło energii. Jednak stworzenie niezbędnych warunków jest jeszcze trudniejsze, ponieważ odpychanie między wielokrotnie naładowanymi jądrami atomowymi jest silniejsze niż między jądrami wodoru. Przykładem jest reakcja bor-proton (nr (10))

.

Podobnie jak 3 He- 3 He reakcji byłoby mieć tę zaletę, nie zwalniając żadnych neutronów. Dla nich, w porównaniu z reakcją DT, temperatura musiałaby być około dziesięć razy wyższa, a czas przechowywania 500 razy dłuższy. Ze względu na wymagane wysokie temperatury i ładunek jądrowy boru, straty energii plazmy fuzyjnej przez bremsstrahlung stanowią fizyczną granicę, której do tej pory nie można było pokonać.

Fuzja jądrowa ze spolaryzowanymi cząstkami

Szybkość reakcji syntezy jądrowej zależy od możliwej polaryzacji spinu zaangażowanych jonów. Na przykład, przekrój DT lub D- 3 reakcji syntezy Mógłby być zwiększone o czynnik do 1,5, jeśli obroty cząstek zaangażowane są ustawione równolegle. Ponadto można było wpływać na preferowane kierunki emisji produktów reakcji. Zasadniczo uprościłoby to nieco pobór energii i wydłużyło żywotność półfabrykatów . Nie jest jednak jasne, w jaki sposób można wytwarzać ilości spolaryzowanego paliwa wymagane do pracy reaktora, wprowadzać do naczynia plazmowego i tam chronić przed skutkami depolaryzacji.

Zastosowania techniczne

Wytwarzanie energii

W ramach współpracy międzynarodowej prowadzone są badania nad tym, czy iw jaki sposób można wykorzystać energię termojądrową do wytwarzania energii elektrycznej . Z dzisiejszej perspektywy pierwszy opłacalny ekonomicznie reaktor nie jest spodziewany przed 2050 r., o ile uda się pokonać przeszkody technologiczne i podjąć polityczną decyzję na korzyść nowej technologii. Zakładając, że paliwa kopalne zostaną wycofane z powodu ich szkodliwego wpływu na klimat, a synteza jądrowa będzie w związku z tym konkurencyjna gospodarczo, nowa technologia może, zgodnie z aktualnym stanem wiedzy, być wykorzystywana na dużą skalę w ostatnim ćwierćwieczu XXI wieku.

Badania fizyczne, źródła neutronów

Podobnie jak inne reakcje jądrowe, reakcje syntezy jądrowej mogą być przeprowadzane przy użyciu akceleratorów cząstek w laboratorium do celów badań fizycznych. Wspomniana wyżej reakcja deuter-tryt służy do generowania szybkich wolnych neutronów. Farnsworth-Hirsch Fusor jest również źródłem wolnych neutronów do celów badawczych i technicznych.

bronie

W bombach wodorowych reakcja deuteru z trytem zachodzi w sposób niekontrolowany, przy czym tryt jest zwykle ekstrahowany z litu tylko podczas eksplozji. Największa bomba wodorowa, jaką kiedykolwiek testowano, bomba carska , osiągnęła siłę wybuchową 57 megaton trotylu. Ale wiele bomb atomowych zawiera również kilka gramów mieszaniny deuteru i trytu wewnątrz pustej kuli wykonanej z jądrowych materiałów wybuchowych. Po rozpoczęciu reakcji łańcuchowej jest ona wystarczająco podgrzana, aby rozpocząć fuzję jądrową. Neutrony uwalniane w dużych ilościach intensyfikują reakcję łańcuchową w nuklearnym wybuchu.

Od czasu zaprzestania próbnych wybuchów broni jądrowej kwestie bezpieczeństwa funkcjonalnego i dalszego rozwoju broni termojądrowej były badane między innymi za pomocą symulacji komputerowych. Dokładne parametry materiałowe wymagane do tego są określane między innymi poprzez eksperymenty z laserową fuzją bezwładnościową .

Zobacz też

Zimna fuzja to nazwa nadana reakcjom syntezy jądrowej bez gorącej plazmy. Dzięki temu wysiłki związane z wytwarzaniem energii za pomocą syntezy jądrowej powinny być możliwe do opanowania. Większość procesów (poza np. pirofuzją , która działa w zasadzie, ale może być wykorzystywana tylko jako źródło neutronów, ale nie do generowania energii) okazała się patologiczną nauką bez żadnej rzeczywistej funkcji ani praktycznego zastosowania , nawet w krótkim szumie lata 80. .

literatura

  • Alexander M. Bradshaw , Thomas Hamacher: Fuzja jądrowa – zrównoważone źródło energii przyszłości . Naturwissenschaftliche Rundschau 58 (12), s. 629-637 (2005), ISSN  0028-1050

linki internetowe

Commons : Fuzja jądrowa  - zbiór obrazów, filmów i plików audio
Wikisłownik: Fuzja jądrowa  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Indywidualne dowody

  1. Ernest Rutherford: Zderzenie cząstek α ​​z lekkimi atomami. IV Anomalny efekt w azocie , Philosophical Magazine 37, 1919, s. 581-587. ( Tekst publikacji )
  2. Hans Bethe: Produkcja energii w gwiazdach , Phys. Obj 55, 1939, s. 434-456.
  3. Rutherford, Oliphant, Paul Harteck: Efekty transmutacji obserwowane z ciężkim wodorem, Proc. Roya. Soc. A, t. 144, 1934, s. 692-703 i pod tym samym tytułem, Nature, t. 133, 1934, s. 413
  4. ^ Odkrycie fuzji DD , EuroFusion, 2010
  5. M. Keilhacker, JET Deuterium-Tritium Results and their Implications, strona internetowa EUROfusion. Źródło 16 sierpnia 2016.
  6. Michael Schirber, APS : Streszczenie: Rzadkie reakcje syntezy jądrowej badane za pomocą neutrin słonecznych , 2012.
  7. ^ Weston M. Stacey: Fuzja. Wprowadzenie do fizyki i technologii fuzji magnetycznej. 2010, s. 1.
  8. H. Paetz gen. Schieck : Stan spolaryzowanej fuzji , Eur. Phys. J. 44 A, 2010, s. 321-354
  9. Armin Grunwald, Reinhard Grünwald, Dagmar Oertel, Herbert Paschen: Sachstandsbericht Kernfusion. Office for Technology Assessment w niemieckim Bundestagu, marzec 2002, wejście 9 października 2014 .
  10. ^ ITER i nie tylko. Na DEMO http://www.iter.org/proj/iterandbeyond ( Memento z 22 września 2012 w Internet Archive ) . Strona organizacji ITER. Pobrano 4 lipca 2013.
  11. Dlaczego badania nad syntezą jądrową? - Link do archiwum kosztów ( pamiątka z 9 kwietnia 2015 r. w Archiwum Internetowym ). Strona internetowa fuzji EURO . Źródło 1 listopada 2014.
  12. Mapa drogowa do realizacji energii syntezy jądrowej . Mapa drogowa EFDA
  13. ^ Jak działa broń jądrowa Phillip R. Hays PhD LT USNR-R, Nuclear / Special Weapons Officer, USS Oklahoma City CLG-5 1970-1972