Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Make your likes visible on Facebook?

Connect your Facebook account to Prezi and let your likes appear on your timeline.
You can change this under Settings & Account at any time.

No, thanks

Fuzja jądrowa (reakcja termojądrowa, synteza jądrowa)

No description
by

Projekt Bomba Bomba

on 11 June 2014

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of Fuzja jądrowa (reakcja termojądrowa, synteza jądrowa)

Fuzja jądrowa
Fuzja jądrowa (reakcja termojądrowa, synteza jądrowa)

Fuzja jądrowa jest reakcją jądrową polegającą na łączeniu się lekkich jąder atomowych w jądra cięższe o większej liczbie atomowej. Ponieważ energia wiązania przypadająca na jeden nukleon wzrasta wraz z liczbą atomową, reakcji termojądrowej towarzyszy wydzielanie energii równej przyrostowi całkowitej energii wiązania.
Reakcje termojądrowe zachodzą w wyniku zbliżenia się jąder na odległość odpowiadającą zasięgowi sił jądrowych
(ok. 1 fm), co jest możliwe po pokonaniu elektrostatycznej bariery kulombowskiej wzajemnego odpychania jąder; reakcje termojądrowe mogą więc zachodzić albo przy dużej energii zderzających się jąder, co odpowiada temp. rzędu 108 K, albo przy zniekształceniu bariery kulombowskiej (np. zwężeniu, występującym pod olbrzymim ciśnieniem panującym w gwiazdach, gdy gęstość materii przekracza 104 g/cm3).
Co dzieli nas od opanowania fuzji? Skoncentrowanie 10 atomów w ograniczonej przestrzeni o temperaturze 150 milionów stopni Celsjusza w mniej, niż 2 sekundy. Jednym z wielu problemów jest brak materiałów, które wytrzymałyby tak wysoką temperaturę i promieniowanie.
Fuzja jest bardzo "niepokornym zjawiskiem", czasem udaje się ją uzyskać, czasem nie. Po 20 latach badań w Joint European Torus uzyskano kilkusekundową fuzję, a EROEI wyniosło 0,65: na produkcję pola magnetycznego zużyto 24 MW, podczas gdy w wyniku fuzji otrzymano 15,6 MW.
Cykl p-p, jeden ze schematów reakcji jądrowych zachodzących w gwieździe, zaproponowanych przez H.A. Bethego jako mechanizm produkcji energii w gwiazdach.
W cyklu tym następują kolejne reakcje jądrowe:
1) p+p -> d+e++u+g1,
gdzie p - proton, d-jądro deuteru, e+ - pozyton, u-neutrino elektronowe, g1- energia 0,42 MeV (z defektu masy),
2) d+p -> 3He+g, 3) 3He+4He -> 7Be +g, 4a) 7Li (po rozpadzie b 7Be) +p -> 24He lub 4b) 7Be+p -> 8B+g, 8Be (po rozpadzie b 8B) -> 24He.
Cykl ten prowadzi do zamiany jąder wodoru (protonów) w jądra helu (4He). Zysk energetyczny z procesu wynosi 26,2 MeV. Warunkiem zaistnienia cyklu p-p w gwieździe jest temperatura ponad 10 milionów K i gęstość 100 g/cm3. W obecnej chwili cykl p-p wydaje się być głównym źródłem energii Słońca.
Cykl protonowo-protonowy
W reakcjach syntezy jądrowej wydzielają się znaczne ilości energii, w naturze procesy te odpowiadają za produkcje energii w gwiazdach - cykl proton-proton, cykl CNO (H.A. Bethe). Na Ziemi udaje się przeprowadzić reakcję syntezy jądrowej w skali modelowej (pojedyncze jądra w eksperymentach akceleratorowych), niekontrolowane reakcje wybuchowe (broń termojądrowa), lub w sposób kontrolowany przez bardzo krótki okres czasu (tokomak).

Kolizje

Pierwsza
Początek cykl protonowo-protonowego. Trwa 7 miliardów lat. Dwa jądra wodoru (dwa protony) zderzają się dając izotop helu 2He. Izotop ten jest bardzo nie trwały i natychmiast rozpada się na deuter (izotop wodoru 2H), pozytron i neutrin. Pozytron szybko się oddala i uderza w przypadkowy elektron ulegając anihilacji w której wytwarza się promieniowanie gamma.

Druga
Jądro deuteru, wytworzone w pierwszej kolizji, trwa ale jest skłonne do reagowania z innymi jądrami. Po kilku sekundach łączy się z innym pobliskim protonem. W zderzeniu powstaje promieniowanie gamma i jądro bardzo rzadko występującego izotopu helu 3He, warzącego 3/4 zwykłego helu i składającego się z dwóch protonów i jednego neutronu.

Trzecia
Trzecia i ostatnia kolizja cyklu zdarza się 400000 lat później. W tym czasie, jądro izotopu helu 3He zderza się z innym jądrem tego samego izotopu pierwiastka. W reakcji powstaje jądro helu 4He składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów i dwa wolne protony, które mogą zapoczątkować cały cykl ponownie.
Słoneczna produkcja
W każdej sekundzie 592 milionów ton wodoru jest stapiane do 587,9 milionów ton helu. Brakująca masa, 4,1 milionów ton jest zamieniana na energię według słynnego wzoru A. Einsteina E=mc2. W każdej sekundzie Słońce produkuje 13 milionów razy więcej energii niż roczna konsumpcja elektryczności w USA. Słońce w ciągu jednej sekundy produkuje 383 trylionów megawatów energii. Opanowanie reakcji syntezy było by milowym krokiem ludzkości w wytwarzaniu energii. Energie jądrowe otrzymują energię z rozszczepiana uranu. Z jednego grama uranu otrzymują tyle energii co elektrownie węglowe ze spalenia trzech ton węgla. Pozostają po tym jednak odpady radioaktywne których nie ma gdzie składować. W elektrowni wodorowej (fuzyjnej) tego problemu by nie było, a z jednego grama wodoru lub deuteru otrzymywano by tyle energii co ze spalenia 24 ton węgla!
Reakcja kontrolowana
Proces syntezy jądrowej w jądrze Słońca ulega samokontroli. Jeżeli w jądrze zachodzi więcej reakcji, wtedy produkowane jest więcej ciepła i Słońce zaczyna się rozszerzać. Zwiększają się przestrzenie między cząsteczkami jądrowymi i reakcja zaczyna zwalniać. Temperatura zaczyna spadać i Słońce zapada się pod wpływem siły grawitacji. Ciśnienie w jądrze rośnie i zwiększa się ilość reakcji ponownie rozszerzając gwiazdę. Samokontrola będzie się utrzymywać dopóki nie "wytopi się" cały wodór, czyli jeszcze jakieś 5 miliardów lat.
Reakcje termojądrowe w gwiazdach
Reakcje termojądrowe w gwiazdach są podstawowym źródłem energii i stanowią mechanizm tworzenia pierwiastków chemicznych (nukleogeneza); np. we wnętrzu Słońca, w temp. 107 K przebiega reakcja syntezy protonów 11H w jądro helu (42 He), tzw. spalanie wodoru; w gwiazdach o masie kilkanaście razy większej od masy Słońca w temp. powyżej 108 K przebiegają reakcje prowadzące do powstawania jąder 126C,168O, 2010N
Reaktor termojądrowy ITER
Pomysł budowy wielkiego, międzynarodowego tokamaka przedstawił Związek Radziecki na szczycie w Genewie w 1985 roku. Od tego czasu ze zmiennym szczęściem trwają negocjacje w sprawie budowy reaktora. Federacja Rosyjska zajęła miejsce ZSRR, a Amerykanie wycofali się w 1998 roku. Na ostatnich, lutowych rozmowach w Sankt Petersburgu razem z Chińczykami zgłosili swój akces do programu. Obecnie pracują nad nim wszystkie najbardziej uprzemysłowione kraje świata: Unia Europejska, Kanada, Japonia, a od połowy lutego - Chiny i USA. Do końca roku 2003 zostanie podpisana umowa precyzująca, gdzie i za czyje pieniądze zostanie zbudowany ITER. W 2006 roku ruszy budowa, która zakończy się w 2016 roku. Koszt - blisko 5 mld dolarów.
Reaktor składa się z 25 gigantycznych elektromagnesów, z których największy waży 840 ton. Powstające we wnętrzu maszyny pole magnetyczne (100 tys. razy silniejsze od ziemskiego) będzie ogromną niewidzialną pułapką. Uwięzione w środku paliwo zapłonie na podobieństwo Słońca, osiągając temperaturę 100 milionów stopni Celsjusza. Wyemitowana przez nie energia zostanie przekształcona w prąd - tak będzie działał ITER, eksperymentalny reaktor termonuklearny, drugi największy - po stacji kosmicznej Alfa - projekt naukowy w historii.

W ITERże plazma zapłonie na 500 sekund, w czasie których reaktor wyprodukuje 500 megawatów energii, dziesięć razy więcej, niż pobrał. Z tego będzie mógł oddać 25 proc. mocy, bo reszta będzie konieczna do podtrzymania reakcji.
Paliwem dla reaktora będą łatwo dostępne deuter i lit. W każdym metrze sześciennym morskiej wody jest 30 gramów tzw. ciężkiej wody, czyli deuteru, który można łatwo odzyskać dzięki elektrolizie. Tryt, jeszcze cięższy brat deuteru, będzie uzyskiwany z litu. Energia wyprodukowana z zaledwie 10 gramów deuteru (500 litrów wody) i 15 gramów trytu (30 gramów litu) wystarczy, żeby zaspokoić życiowe zapotrzebowanie na energię przez przeciętnego mieszkańca nowoczesnego miasta. ITER będzie reaktorem eksperymentalnym - podkreślają jego konstruktorzy - ale będzie też ostatnim krokiem na drodze ku energii termojądrowej.
Reakcja termojądrowa za pomocą lasera?

Za pomocą laserów można skłonić ciężki wodór do fuzji termojądrowej jak we wnętrzu Słońca i produkować energię na skalę przemysłową. Tak przypuszczają japońscy i brytyjscy zamieszczając artykuł we wrześniu 2002 na łamach czasopisma "Nature".
Na początku lat 70 próbowano wykorzystać promieniowanie laserowe, na tyle silne, by wybuchowo rozgrzać warstwę, która otacza wodorowe paliwo. Pomysł upadł, gdyż lasery były wtedy zbyt słabe, by dostatecznie mocno sprężyć gaz (wywołać silną implozję). Wrócono do niego w drugiej połowie lat 90.,gdy udało się skonstruować lasery o ogromnej mocy petawata (10 do potęgi 15, a więc 1 000 000 000 000 000 watów).
Pierwsze eksperymenty były niezwykle obiecujące. Podgrzewano laserami małe kuleczki polistyrenu nasyconego deuterem, plastik zmieniał się w plazmę i eksplodował, a wnętrze kuleczki - tak jak oczekiwano - ulegało ściśnięciu. Jego gęstość wzrastała ponad tysiąckrotnie (litr tak ściśniętej wody ważyłby tonę!), a ciśnienie w samym środku sięgało biliona atmosfer. Przy takiej gęstości i ciśnieniu rozbłyskały też reakcje fuzji jąder deuteru. Przy tym cały eksperymentalny układ, w którym "zapalał się" ciężki wodór, był tani i mieścił się na biurku. To ogromny postęp w porównaniu do tokamaków - urządzeń rozmiarów sporego budynku kosztujących setki milionów dolarów. Wartość prądu zużywanego przez lasery była jednak wciąż wielokrotnie większa niż ewentualne zyski energetyczne czerpane z fuzji. Żeby bilans był dodatni, wnętrze deuterowych kulek trzeba by rozpalić do temperatury ponad 100 mln st.
Cóż więc robić? Poczekać na konstrukcję jeszcze potężniejszych laserów albo znaleźć sposób dodatkowego podgrzania ściśniętego wodoru. Właśnie tym ostatnim tropem poszła brytyjsko-japońska grupa fizyków z uniwersytetu w Osace.
W roli grzałki fizycy użyli dodatkowego lasera o mocy petawata, który podgrzewa kulkę w krytycznym momencie implozji. Promieniowanie wnika do samego środka kulki (gdzie gęstość jest największa) przez maleńki lejek ze złota. Taki impuls dostatecznie podgrzewa deuter i jest w stanie dokonać termojądrowego zapłonu we wnętrzu kulki. Czekamy na rezultaty eksperymentów.

Zastosowanie reakcji termojądrowych
W warunkach ziemskich reakcje termojądrowe zrealizowano w próbnych wybuchach termojądrowych; odpowiednią temperaturę otrzymano na przeciąg ok. 10-6s w wyniku wybuchu zapalnika atomowego. Ilość energii wydzielona przy wybuchu bomby termojądrowej (ok. 1017 J) przewyższa tygodniową produkcję energii elektrycznej na całej kuli ziemskiej. Warunkiem wykorzystania energii reakcji termojądrowej do celów gospodarczych jest umiejętność przeprowadzania kontrolowanych reakcji termojądrowych, czyli reakcji przebiegających z regulowaną szybkością. Problem polega na wytworzeniu i utrzymaniu w ograniczonej objętości dostatecznej ilości plazmy deuteronowej lub deuteronowo-trytowej w temp. rzędu 108K; w przeprowadzanych dotychczas doświadczeniach ilość wydzielanej energii jest wielokrotnie mniejsza od energii zużytej na wytworzenie i utrzymanie plazmy. Badania nad kontrolowaną reakcją termojądrową prowadzi się w wielu ośrodkach naukowych, gł. w USA, W. Brytanii, Francji, Rosji, a także w Polsce.
Schemat budowy ładunku termojądrowego
A - Stopień rozszczepienia (ładunek pierwotny)
B - Stopień fuzji (ładunek właściwy (wtórny))
1 - chemiczny materiał wybuchowy
2 - osłona z uranu238
3 - próżnia
4 - pluton lub uran zawierający tryt
w stanie gazowym
5 - styropian
6 - osłona uranu238
7 - deuterek litu-6 (paliwo fuzji)
8 - pluton
9 - reflektor
Laboratoryjne mini bomby wodorowe
Fizycy z Sandia National Laboratory w Nowym Meksyku (USA) zbudowali urządzenie w którym zaszła rekcja termojądrowa nazwane Z-Maszyną. Niestety na razie pochłania ona znacznie więcej energii niż produkuje. Uzyskiwana energia jest około miliard razy mniejsza niż zużyta na doprowadzenie do reakcji syntezy deuteru (izotop wodoru) w hel.
W Z-Maszynie naukowcy postanowili wykorzystać ten sam mechanizm, który prowadzi do wyzwolenia energii w bombie wodorowej, gdzie wodór jest otoczony gęstą plastikową pianą. Obok znajduje się "zwykła" bomba atomowa, która działa jak zapalnik. Intensywne promieniowanie X towarzyszące jej eksplozji dociera do warstwy plastiku jeszcze przed falą uderzeniową. W mgnieniu oka rozgrzewa go, zmienia w plazmę, która rozpręża się wybuchowo. Zostaje więc z ogromną prędkością odrzucona na zewnątrz, a jednocześnie zgodnie z trzecią zasadą dynamiki, działa przeciwna siła skierowana do wewnątrz, która spręża wodór (tj. doprowadza do jego implozji). Taki mechanizm wymyślił polski matematyk Stanisław Ulam, który wraz z Edwardem Tellerem pracował nad pierwszą amerykańską bombą. Pomysł fizyków z laboratorium Sandia polega na tym, aby zmniejszyć bombę do rozmiarów małej ampułki i wywoływać kontrolowane mikrowybuchy. Z-Maszyna przypomina wielki dysk o średnicy 33 metrów i grubości 6 metrów. W jego centrum tkwi niewielka klatka z 360 pionowych pręcików z wolframu (dziesięć razy cieńszych niż ludzki włos), która więzi małą, dwumilimetrową plastikową kapsułkę z deuterem. Maszyna działa jak ogromny kondensator, gromadzi zapas energii elektrycznej, po czym niezwykle szybko (w kilkadziesiąt nanosekund) uwalnia ją, wtłaczając w pręciki klatki prąd o natężeniu aż 20 mln amperów, tysiąc razy większym niż w wyładowaniu atmosferycznym. Nic dziwnego, że pręciki w mgnieniu oka wyparowują, a powstała plazma emituje silny impuls promieni Rentgena (o chwilowej mocy przekraczającej 200 terawatów), które podgrzewają kapsułkę z deuterem. Ulega ona wybuchowej implozji - tj. kurczy się do rozmiaru ledwie 160 mikronów. Ściśnięty deuter osiąga przy tym temperaturę kilkunastu milionów stopni. To wystarcza, by doszło do reakcji syntezy.
Czy możliwa jest zimna fuzja?
Dużo wysiłku wkłada się obecnie w badaniach nad zimną fuzją, tzn. syntezą, która zachodzi w temperaturze niższej niż temperatura konieczna do pokonania odpychania elektrostatycznego między jądrami.
W 1989 roku Fleischmann i Pons z uniwersytetu w Utah ogłosili, że dokonali "zimnej fuzji" podczas elektrolizy ciężkiej wody. W Utah otwarto pośpiesznie Instytut Zimnej Fuzji, na który przyznano 5 milionów dolarów grantu. Wybuchła badawcza gorączka, na całym świecie próbowano powtórzyć eksperyment - na próżno. Po kilku miesiącach "Nature" uznało opisujący "odkrycie" artykuł za żart, instytut zamknięto, a uczeni poszli w rozsypkę m.in. do Japonii.
Najbardziej obiecująca wydaje się synteza jądrowa katalizowana mionowo. W atomach deuteru trzeba zastąpić elektrony ujemnymi mionami. Mion jest 207 razy cięższy od elektronu, a więc atom mionowy deuteru jest znacznie mniejszy od zwykłego deuteru i może zbliżyć się do innego atomu deuteru na znacznie mniejszą odległość, pozwalającą na zajście syntezy jądrowej.W innym pomyśle amerykańscy i rosyjscy naukowcy obliczyli, że reakcje kontrolowanej syntezy termojądrowej dałoby się przeprowadzać we wnętrzu malutkich pęcherzyków gazu poddawanych działaniu ultradźwięków.
Fala dźwiękowa nacierająca na wypełniony deuterem i trytem pęcherzyk zanurzony w ciekłym acetonie powodowałaby ściskanie bąbelka, a tym samym gwałtowny wzrost temperatury i ciśnienia w jego wnętrzu. Zdaniem autorów obliczeń wzrost byłby wystarczający do zapoczątkowania reakcji fuzji tych dwóch cięższych izotopów wodoru. Gdyby wszystko poszło tak, jak chcieli uczeni, świat zyskałby niemal nieograniczone źródło pół darmowej energii.Niestety nic z tego. Z najnowszych obliczeń wykonanych przez prof. Kennetha Suslicka i opublikowanych na łamach "Nature") wynika, że temperatura wewnątrz bąbelka gazu zamiast sięgać niezbędnych milionów stopni, ledwie zbliża się do 20 tys. stopni Celsjusza.Czekamy na nowe pomysły. Zimna fuzja teoretycznie jest możliwa - twierdzą fizycy.
Z-maszyna
AGNIESZKA ADAMCZYK Ic
Full transcript