Termonukleær reaktion

Termonuklear reaktion  er en slags kernereaktion , hvor lette atomkerner kombineres til tungere på grund af den kinetiske energi af deres termiske bevægelse .

Oprindelse af udtrykket

For at en kernereaktion kan finde sted , skal de oprindelige atomkerner overvinde den såkaldte " Coulomb-barriere " - kraften af ​​elektrostatisk frastødning mellem dem. For at gøre dette skal de have en stor kinetisk energi . Ifølge den kinetiske teori kan den kinetiske energi af bevægelige mikropartikler af et stof (atomer, molekyler eller ioner) repræsenteres som temperatur, og derfor kan en termonukleær reaktion opnås ved at opvarme stoffet. Det er denne indbyrdes sammenhæng mellem opvarmning af et stof og en kernereaktion, som udtrykket "termonuklear reaktion" afspejler.

Coulomb barriere

Atomkerner har en positiv elektrisk ladning . På store afstande kan deres ladninger være skærmet af elektroner. Men for at fusionen af ​​kernerne kan finde sted, skal de nærme sig i en afstand, hvor den stærke vekselvirkning virker . Denne afstand er af størrelsesordenen af ​​kernerne selv og er mange gange mindre end atomets størrelse . På sådanne afstande kan atomernes elektronskaller (selvom de var bevaret) ikke længere screene kernernes ladninger, så de oplever en stærk elektrostatisk frastødning. Styrken af ​​denne frastødning er ifølge Coulombs lov omvendt proportional med kvadratet på afstanden mellem ladningerne. Ved afstande i størrelsesordenen af ​​kernernes størrelse begynder styrken af ​​den stærke vekselvirkning, som har tendens til at binde dem, hurtigt at stige og bliver større end Coulomb-frastødningen.

For at kunne reagere skal kernerne således overvinde den potentielle barriere . For eksempel, for deuterium - tritium-reaktionen , er værdien af ​​denne barriere ca. 0,1 MeV . Til sammenligning er brints ioniseringsenergi 13 eV. Derfor vil stoffet, der deltager i en termonukleær reaktion, være næsten fuldstændigt ioniseret plasma .

Temperaturen svarende til 0,1 MeV er cirka 10 9 K , men der er to effekter, der reducerer den temperatur, der kræves til en termonuklear reaktion:

• For det første karakteriserer temperaturen kun den gennemsnitlige kinetiske energi; der er partikler med både lavere og højere energi. Faktisk deltager et lille antal kerner med en energi, der er meget højere end gennemsnittet, i en termonuklear reaktion (den såkaldte "hale af den Maxwellske fordeling ").

• For det andet behøver kernerne på grund af kvanteeffekter ikke have en energi, der overstiger Coulomb-barrieren. Hvis deres energi er lidt mindre end barrieren, kan de med stor sandsynlighed tunnelere igennem den.

Termonukleære reaktioner

Nogle af de vigtigste eksoterme termonukleære reaktioner med store tværsnit [1] :

Muon-katalyse

En termonukleær reaktion kan i høj grad lettes ved at indføre negativt ladede myoner i reaktionsplasmaet .

Myoner µ − , der interagerer med termonukleært brændsel, danner mesomolecules , hvor afstanden mellem kernerne af brændstofatomer er mange gange (≈200 gange) mindre, hvilket letter deres tilgang og derudover øger sandsynligheden for nuklear tunneling gennem Coulomb barriere.

Antallet af fusionsreaktioner Xc initieret af en myon er begrænset af værdien af ​​muonsticking -koefficienten . Eksperimentelt var det muligt at opnå værdier på X c ~ 100, det vil sige, at en myon er i stand til at frigive en energi på ~ 100 × X MeV, hvor X er energiudbyttet af den katalyserede reaktion.

Indtil videre er mængden af ​​frigivet energi mindre end energiomkostningerne til produktionen af ​​selve myonen (5-10 GeV). Således er muonkatalyse stadig en energimæssigt ugunstig proces. Kommercielt rentabel energiproduktion ved hjælp af muon-katalyse er mulig ved X c ~ 10 4 .

Ansøgning

Brugen af ​​en termonuklear reaktion som en praktisk talt uudtømmelig energikilde er primært forbundet med udsigten til at mestre teknologien med kontrolleret termonuklear fusion (CTF). På nuværende tidspunkt tillader det videnskabelige og teknologiske grundlag ikke brugen af ​​CTS i industriel skala.

Samtidig har en ukontrolleret termonuklear reaktion fundet sin anvendelse i militære anliggender. Det første termonukleare sprængstof blev testet i november 1952 i USA, og allerede i august 1953 blev et termonuklear sprængstof i form af en luftbombe testet i Sovjetunionen. Kraften af ​​en termonuklear eksplosiv enhed (i modsætning til atomic ) er kun begrænset af mængden af ​​materiale, der bruges til at skabe den, hvilket giver dig mulighed for at skabe eksplosive enheder af næsten enhver kraft.

Se også

• Nukleosyntese
• nuklear reaktion

Noter

1. ↑ I. N. Beckman. Kernefysik. Forelæsning 21. Kernereaktioner i termonuklear fusion . Hentet 21. august 2015. Arkiveret fra originalen 28. marts 2015. (ubestemt)
2. ↑ Dette er en opsummering af brændselscyklussen DT for reaktionen med reproduktionen af ​​T til Li