Kontrollü termonükleer füzyon. Nükleer füzyon
iki atom çekirdeğinin birleşerek daha ağır bir çekirdek oluşturması işlemidir. Genellikle bu sürece enerjinin salınması eşlik eder. Nükleer füzyon, yıldızlardaki enerjinin ve hidrojen bombasının kaynağıdır.
Atom çekirdeğini bir nükleer reaksiyonun gerçekleşmesine yetecek kadar yakına getirmek için, en hafif element olan hidrojen bile çok önemli miktarda enerji gerektirir. Ancak hafif çekirdekler söz konusu olduğunda, iki çekirdeğin daha ağır bir çekirdek oluşturmak üzere birleşmesi sonucunda, aralarındaki Coulomb itmesini yenmek için harcanan enerjiden çok daha fazla enerji açığa çıkar. Bu sayede nükleer füzyon çok umut verici bir enerji kaynağıdır ve modern bilimin ana araştırma alanlarından biridir.
Çoğu nükleer reaksiyonda açığa çıkan enerji miktarı, nükleer reaksiyonlardan çok daha fazladır. kimyasal reaksiyonlarÇünkü çekirdekteki nükleonların bağlanma enerjisi, atomdaki elektronların bağlanma enerjisinden çok daha büyüktür. Örneğin, bir elektron bir protona bağlanıp bir hidrojen atomu oluşturduğunda üretilen iyonlaşma enerjisi 13,6 elektron volttur; bu, döteryumun trityumla reaksiyonuyla açığa çıkan 17 MeV'nin milyonda birinden azdır; bu, aşağıda anlatılmıştır.
Atom çekirdeğinde iki tür etkileşim vardır: protonları ve nötronları bir arada tutan güçlü kuvvet ve çekirdeğin benzer yüklü protonları arasındaki, çekirdeği parçalamaya çalışan çok daha zayıf elektrostatik itme. Güçlü etkileşim, yalnızca birbirine doğrudan bitişik protonlar ve nötronlar arasındaki çok kısa mesafelerde ortaya çıkar. Bu aynı zamanda çekirdeğin yüzeyindeki proton ve nötronların, çekirdeğin içindeki proton ve nötronlardan daha az muhafaza edildiği anlamına gelir. Elektrostatik itme kuvveti bunun yerine herhangi bir mesafede etki eder ve yükler arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır, yani çekirdekteki her proton birbiriyle etkileşime girer. herkesçekirdekteki başka bir proton. Bu durum, çekirdeğin boyutu arttıkça çekirdeği tutan kuvvetlerin belirli bir atom numarasına (demir atomu) kadar artmasına ve daha sonra zayıflamaya başlamasına neden olur. Uranyumdan başlayarak bağlanma enerjisi negatif olur ve ağır elementlerin çekirdekleri kararsız hale gelir.
Bu nedenle, bir nükleer füzyon reaksiyonu gerçekleştirmek için, iki atom çekirdeği arasındaki elektrostatik itme kuvvetinin üstesinden gelmek ve onları güçlü etkileşimin ortaya çıkmaya başlayacağı bir mesafeye getirmek için belirli bir enerji harcamak gerekir. Elektrostatik itme kuvvetinin üstesinden gelmek için gereken enerjiye Coulomb bariyeri denir.
Hidrojen izotopları için Coulomb bariyeri düşüktür çünkü çekirdekte yalnızca bir proton bulunur. Bir DT karışımı için ortaya çıkan enerji bariyeri 0,1 MeV'dir. Karşılaştırma için, bir hidrojen atomundan bir elektronu çıkarmak yalnızca 13 eV alır, bu da 7500 kat daha azdır. Füzyon reaksiyonu tamamlandığında, yeni çekirdek daha düşük bir enerji seviyesine hareket eder ve ek enerji açığa çıkararak 17,59 MeV enerjiye sahip bir nötron yayar; bu, reaksiyonu başlatmak için gerekenden önemli ölçüde daha fazladır. Yani DT füzyon reaksiyonu oldukça ekzotermiktir ve bir enerji kaynağıdır.
Çekirdekler termal denge durumuna yakın bir plazmanın parçasıysa, füzyon reaksiyonuna termonükleer füzyon denir. Sıcaklık, parçacıkların ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsü olduğundan, plazmayı ısıtmak, çekirdeklere 0,1 MeV bariyerini aşmak için yeterli enerjiyi sağlayabilir. eV'yi Kelvin'e çevirdiğimizde 1 GK'nin üzerinde bir sıcaklık elde ederiz ki bu son derece yüksek bir sıcaklıktır.
Ancak gerekli reaksiyon sıcaklığının düşürülmesini mümkün kılan iki olgu vardır. İlk olarak, sıcaklık yansıtıcı ortalama kinetik enerji, yani 0,1 MeV eşdeğerinden daha düşük sıcaklıklarda bile, bazı çekirdekler 0,1 MeV'den önemli ölçüde daha yüksek bir enerjiye sahip olurken, geri kalanı önemli ölçüde daha düşük bir enerjiye sahip olacaktır. İkinci olarak, çekirdeklerin yeterli enerjiye sahip olmadan Coulomb bariyerini aştığı kuantum tünelleme fenomeni dikkate alınmalıdır. Bu, düşük sıcaklıklarda (yavaş) sentez reaksiyonlarının elde edilmesine olanak tanır.
Sentez reaksiyonunu anlamak için önemli olan kavramdır. enine kesit reaksiyonlar?: etkileşen iki çekirdeğin bağıl hızının bir fonksiyonu olarak bir füzyon reaksiyonu olasılığının ölçümü. Bir termonükleer füzyon reaksiyonu için, kesit çarpımının ve nükleer hızın dağılımının ortalama değerini dikkate almak daha uygundur. Bunu kullanarak reaksiyon hızını (zaman ve hacim başına çekirdeklerin füzyonu) şu şekilde yazabilirsiniz:
Atom çekirdeğini bir nükleer reaksiyonun gerçekleşmesine yetecek kadar yakına getirmek için, en hafif element olan hidrojen bile çok önemli miktarda enerji gerektirir. Ancak hafif çekirdekler söz konusu olduğunda, iki çekirdeğin daha ağır bir çekirdek oluşturmak üzere birleşmesi sonucunda, aralarındaki Coulomb itmesini yenmek için harcanan enerjiden çok daha fazla enerji açığa çıkar. Bu sayede nükleer füzyon çok umut verici bir enerji kaynağıdır ve modern bilimin ana araştırma alanlarından biridir.
Çoğu nükleer reaksiyonda açığa çıkan enerji miktarı, nükleer reaksiyonlardan çok daha fazladır. kimyasal reaksiyonlarÇünkü çekirdekteki nükleonların bağlanma enerjisi, atomdaki elektronların bağlanma enerjisinden çok daha büyüktür. Örneğin, bir elektron bir protona bağlanıp bir hidrojen atomu oluşturduğunda üretilen iyonlaşma enerjisi 13,6 elektron volttur; bu, döteryumun trityumla reaksiyonuyla açığa çıkan 17 MeV'nin milyonda birinden azdır; bu, aşağıda anlatılmıştır.
Atom çekirdeğinde iki tür etkileşim vardır: protonları ve nötronları bir arada tutan güçlü kuvvet ve çekirdeğin benzer yüklü protonları arasındaki, çekirdeği parçalamaya çalışan çok daha zayıf elektrostatik itme. Güçlü etkileşim, yalnızca birbirine doğrudan bitişik protonlar ve nötronlar arasındaki çok kısa mesafelerde ortaya çıkar. Bu aynı zamanda çekirdeğin yüzeyindeki proton ve nötronların, çekirdeğin içindeki proton ve nötronlardan daha az muhafaza edildiği anlamına gelir. Elektrostatik itme kuvveti bunun yerine herhangi bir mesafede etki eder ve yükler arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır, yani çekirdekteki her proton birbiriyle etkileşime girer. herkesçekirdekteki başka bir proton. Bu durum, çekirdeğin boyutu arttıkça çekirdeği tutan kuvvetlerin belirli bir atom numarasına (demir atomu) kadar artmasına ve daha sonra zayıflamaya başlamasına neden olur. Uranyumdan başlayarak bağlanma enerjisi negatif olur ve ağır elementlerin çekirdekleri kararsız hale gelir.
Bu nedenle, bir nükleer füzyon reaksiyonu gerçekleştirmek için, iki atom çekirdeği arasındaki elektrostatik itme kuvvetinin üstesinden gelmek ve onları güçlü etkileşimin ortaya çıkmaya başlayacağı bir mesafeye getirmek için belirli bir enerji harcamak gerekir. Elektrostatik itme kuvvetinin üstesinden gelmek için gereken enerjiye Coulomb bariyeri denir.
Hidrojen izotopları için Coulomb bariyeri düşüktür çünkü çekirdekte yalnızca bir proton bulunur. Bir DT karışımı için ortaya çıkan enerji bariyeri 0,1 MeV'dir. Karşılaştırma için, bir hidrojen atomundan bir elektronu çıkarmak yalnızca 13 eV alır, bu da 7500 kat daha azdır. Füzyon reaksiyonu tamamlandığında, yeni çekirdek daha düşük bir enerji seviyesine hareket eder ve ek enerji açığa çıkararak 17,59 MeV enerjiye sahip bir nötron yayar; bu, reaksiyonu başlatmak için gerekenden önemli ölçüde daha fazladır. Yani DT füzyon reaksiyonu oldukça ekzotermiktir ve bir enerji kaynağıdır.
Çekirdekler termal denge durumuna yakın bir plazmanın parçasıysa, füzyon reaksiyonuna termonükleer füzyon denir. Sıcaklık, parçacıkların ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsü olduğundan, plazmayı ısıtmak, çekirdeklere 0,1 MeV bariyerini aşmak için yeterli enerjiyi sağlayabilir. eV'yi Kelvin'e çevirdiğimizde 1 GK'nin üzerinde bir sıcaklık elde ederiz ki bu son derece yüksek bir sıcaklıktır.
Ancak gerekli reaksiyon sıcaklığının düşürülmesini mümkün kılan iki olgu vardır. İlk olarak, sıcaklık yansıtıcı ortalama kinetik enerji, yani 0,1 MeV eşdeğerinden daha düşük sıcaklıklarda bile, bazı çekirdekler 0,1 MeV'den önemli ölçüde daha yüksek bir enerjiye sahip olurken, geri kalanı önemli ölçüde daha düşük bir enerjiye sahip olacaktır. İkinci olarak, çekirdeklerin yeterli enerjiye sahip olmadan Coulomb bariyerini aştığı kuantum tünelleme fenomeni dikkate alınmalıdır. Bu, düşük sıcaklıklarda (yavaş) sentez reaksiyonlarının elde edilmesine olanak tanır.
Sentez reaksiyonunu anlamak için önemli olan kavramdır. enine kesit reaksiyonlar?: etkileşen iki çekirdeğin bağıl hızının bir fonksiyonu olarak bir füzyon reaksiyonu olasılığının ölçümü. Bir termonükleer füzyon reaksiyonu için, kesit çarpımının ve nükleer hızın dağılımının ortalama değerini dikkate almak daha uygundur. Bunu kullanarak reaksiyon hızını (zaman ve hacim başına çekirdeklerin füzyonu) şu şekilde yazabilirsiniz:
Nerede N 1 ve N 2, reaktanların yoğunluğudur. oda sıcaklığında sıfırdan halihazırdaki sıcaklıklarda önemli bir değere yükselir
