Termonukleär reaktion

Termonukleär reaktion  är en slags kärnreaktion , där lätta atomkärnor kombineras till tyngre på grund av den kinetiska energin i deras termiska rörelse .

Ursprunget till termen

För att en kärnreaktion ska inträffa måste de ursprungliga atomkärnorna övervinna den så kallade " Coulomb-barriären " - kraften av elektrostatisk repulsion mellan dem. För att göra detta måste de ha en stor kinetisk energi . Enligt den kinetiska teorin kan den kinetiska energin hos rörliga mikropartiklar av ett ämne (atomer, molekyler eller joner) representeras som temperatur, och därför kan en termonukleär reaktion uppnås genom att värma ämnet. Det är detta inbördes samband mellan uppvärmningen av ett ämne och en kärnreaktion som termen "termonukleär reaktion" återspeglar.

Coulomb barriär

Atomkärnor har en positiv elektrisk laddning . På stora avstånd kan deras laddningar skyddas av elektroner. Men för att fusionen av kärnorna ska ske måste de närma sig på ett avstånd där den starka interaktionen verkar . Detta avstånd är i storleksordningen av själva kärnornas storlek och är många gånger mindre än atomens storlek . På sådana avstånd kan atomernas elektronskal (även om de var bevarade) inte längre avskärma kärnornas laddningar, så de upplever en stark elektrostatisk repulsion. Styrkan av denna repulsion, enligt Coulombs lag , är omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet mellan laddningarna. På avstånd i storleksordningen av kärnorna börjar styrkan hos den starka interaktionen, som tenderar att binda dem, att öka snabbt och blir större än Coulomb-avstötningen.

Således, för att reagera, måste kärnorna övervinna den potentiella barriären . Till exempel, för deuterium - tritium-reaktionen , är värdet på denna barriär ungefär 0,1 MeV . Som jämförelse är joniseringsenergin för väte 13 eV. Därför kommer ämnet som deltar i en termonukleär reaktion att vara nästan helt joniserat plasma .

Temperaturen som motsvarar 0,1 MeV är ungefär 10 9 K , men det finns två effekter som minskar temperaturen som krävs för en termonukleär reaktion:

• För det första kännetecknar temperaturen endast den genomsnittliga kinetiska energin, det finns partiklar med både lägre och högre energi. Faktum är att ett litet antal kärnor med en energi som är mycket högre än genomsnittet deltar i en termonukleär reaktion (den så kallade "svansen av den Maxwellska fördelningen ").

• För det andra, på grund av kvanteffekter , behöver kärnorna inte ha en energi som överstiger Coulomb-barriären. Om deras energi är något mindre än barriären kan de med stor sannolikhet tunnla genom den.

Termonukleära reaktioner

Några av de viktigaste exoterma termonukleära reaktionerna med stora tvärsnitt [1] :

Muonkatalys

En termonukleär reaktion kan avsevärt underlättas genom att införa negativt laddade myoner i reaktionsplasman .

Myoner µ − , som interagerar med termonukleärt bränsle, bildar mesomolecules , i vilka avståndet mellan kärnorna av bränsleatomer är många gånger (≈200 gånger) mindre, vilket underlättar deras närmande och dessutom ökar sannolikheten för kärntunnel genom Coulomb barriär.

Antalet fusionsreaktioner Xc som initieras av en myon begränsas av värdet på muonstickningskoefficienten . Experimentellt var det möjligt att erhålla värden på X c ~ 100, det vill säga en myon är kapabel att frigöra en energi på ~ 100 × X MeV, där X är energiutbytet för den katalyserade reaktionen.

Hittills är mängden frigjord energi mindre än energikostnaderna för produktionen av själva myonen (5-10 GeV). Således är myonkatalys fortfarande en energimässigt ogynnsam process. Kommersiellt lönsam energiproduktion med hjälp av myonkatalys är möjlig vid X c ~ 10 4 .

Applikation

Användningen av en termonukleär reaktion som en praktiskt taget outtömlig energikälla är i första hand förknippad med möjligheten att behärska tekniken för kontrollerad termonukleär fusion (CTF). För närvarande tillåter den vetenskapliga och tekniska basen inte användningen av CTS i industriell skala.

Samtidigt har en okontrollerad termonukleär reaktion fått sin tillämpning i militära angelägenheter. Den första termonukleära sprängladdningen testades i november 1952 i USA och redan i augusti 1953 testades en termonukleär sprängladdning i form av en luftbomb i Sovjetunionen. Kraften hos en termonukleär explosiv anordning (till skillnad från atomic ) begränsas endast av mängden material som används för att skapa den, vilket gör att du kan skapa explosiva anordningar av nästan vilken kraft som helst.

Se även

• Nukleosyntes
• kärnreaktion

Anteckningar

1. ↑ I. N. Beckman. Kärnfysik. Föreläsning 21. Kärnreaktioner vid termonukleär fusion . Hämtad 21 augusti 2015. Arkiverad från originalet 28 mars 2015. (obestämd)
2. ↑ Detta är en sammanfattning av bränslecykeln DT för reaktionen med reproduktionen av T till Li