Нуклеарна фузија

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на: содржини, барај
Сонцето е ѕвезда која ја создава својата енергија со помош на нуклеарна фузија, со фузирање на атомските јадра на водород пришто се создаваат атоми на хелиум. Во кората на Сонцето секоја секунда се фузираат 620 милиони кубни тони на водород.

Под терминот нуклеарна фузија во нуклеарната физика се подразбира нуклеарна реакција во која две или повеќе атомски јадра со голема брзина се судираат и создаваат ново атомско јадро. За време на овој процес, материјата не е конзервирана, односно дел од материјата се конвертира во фотони (енергија). Фузирање е процесот со кој се создава енергија во активните ѕвезди.

При фузија на две атомски јадра кои имаат помала маса од железото (кое, заедно со никелот, има најголема сврзувачка енергија) најчесто се ослободува енергија, додека при фузија на две атомски јадра со поголема маса се абсорбира енергија. Спротивното важи и за спротивниот процес, нуклеарна фисија. Ова значи дека фузијата најчесто се јавува кај полесните елементи, додека фисијата се јавува кај потешките елементи. Постојат астрофизички процеси кои може да предизвикат краткотрајно фузирање на потешки атомски јадра. Ваков процес е нуклеосинтезата, создавањето на тешки елементи за време на процеси како што е суперновата.

По откривањето на тунелскиот ефект од страна на Фридрих Хунд, во 1929 година Роберт Аткинсон и Фридрих Хаутерманс ги користеле измерените маси на лесните елементи за да докажат дека големи количества на енергија можат да бидат ослободени со фузирање на мали атомски јадра. Базирајќи се на експериментите на нуклеарна трансмутација на Ернст Радерфорд, извршени неколку години претходно, лабораториското фузирање на изотопите на водород првпат го извел Марк Олифант. Во подоцнежните години, најголем придонес околу нуклеарната фузија во ѕвездите дал Ханс Бете и со тоа ја освоил Нобеловата награда во 1967 година.

Истражувања за користење на нуклеарната фузија за воени цели започнале во четириесетите години на минатиот век како дел од Менхетен проектот. Фузијата била првпат успешно изведена при нуклеарното тестирање Greenhouse Item во 1951 година. Нуклеарна фузија на голема скала првпат била изведена на 1 ноември 1952 година при Ivy Mike тестирањето пришто била детонирана хидрoгенска бомба.

Преглед[уреди | уреди извор]

Фузирање на деутериум и тритиум (изотопи на водород) пришто се создава хелиум-4, ослободувајќи неутрон и 17.59 MeV на енергија. За да се фузираат атомските јадра потребна е голема кинетичка енергија, во согласност со E = Δmc2, каде Δm е промената на масата на честичките.[1]

Енергијата што се ослободува при фузирање на лесните елементи е последица на взаемното дејство на две спротивни сили, јадрената сила која ги поврзува неутроните и протоните, и кулонововата сила која предизвикува протоните да се одбиваат. Исти сили се одбиваат, но протоните како позитивно наелектризирани честички во атомското јадро се привлекуваат како последица на постоењето на уште некоја сила. Оваа сила е силното заемодејство. Силното заемодејство е ефективно на растојание од неколку фемтометри и поради тоа не дејствува надвор од атомското јадро.[2] Бидејќи јадрената сила е посилна од кулоновата сила за атомските јадра помали од железото и никелот, при градењето на атомски јадра на железо и никел со фузирање на атомски јадра на полесни елементи се ослободува енергија. За поголеми атомски јадра, не се ослободува енергија бидејќи јадрената сила дејствува на кратко растојание.

Реакциите на фузирање на лесните елементи создаваат енергија за активните ѕвезди и со фузирање на истите може да се добие било кој елемент во процесот наречен нуклеосинтеза. При фузирањето на лесните елементи во ѕвездите се ослободува енергија и дел од масата. На пример, при фузирањето на два атома на водород за да се формира хелиум, 0,7% од масата се ослободува во форма на кинетичка енергија и други форми на енергија како што е електромагнетната радијација.[3]

Истражувања за контролирано фузирање, кои имаат за цел создавање на електрична струја по пат на фузирање, постојат веќе шеесет години. Истражувањата иако биле придружени со научни и технички проблеми, денес сеуште се во тек. Денес, реакциите на контролирано фузирање немаат резултирано во самоодржливо контролирано фузирање[4]. Планови за реактор кој ќе создава десет пати повеќе енергија на фузирање отколку што е потребно за затоплување на плазма на потребните температури сеуште се во развиток. ИТЕР проектот (анг: International Thermonuclear Experimental Reactor project) се очекува да заврши во 2019 година. Пуштањето во работа на реакторот е планирано за во 2020 година, но не се очекува веднаш со деутериум-тритиум фузирање се до 2027 година.[5].

Потребно е значително големо количество на енергија за едно атомско јадро да фузира, дури и атомското јадро на најлесниот елемент, водородот. Ова е така бидејќи сите атомски јадра имаат позитивен полнеж, предизвикан од протоните кои се наоѓаат во него, и какошто нивните полнежи се одбиваат, јадрото се спротивставува. На голема брзина, атомските јадра можат да ја надминат оваа електростатична репулзија и да бидат на доволно мало растојание за привлечното силно заемодејство да биде доволно силно за да дојде до фузирање. При фузирањето на полесни атомски јадра доаѓа до создавање на потешко јадро и најчесто слободен неутрон или протон, најчесто се ослободува повеќе енергија отколку што е потребно за атомското јадро да опстои. Ова е егзотермен процес кој може да создаде самоодржливи реакции. Националниот комплекс за реакции на ласерско фузирање на САД се претпоставува дека во иднина ќе биде во можност да создаде самоодржливо контролирано фузирање.

Првите експерименти со ласерско фузирање биле изведени во 2011 година[6][7].

Енергијата ослободена во повеќето нуклеарни реакции е поголема отколку во хемиските реакции бидејќи енергијата на сврзување којашто го одржува атомското јадро како една целина е многу поголема отколку енергијата која ги привлекува електроните кон атомското јадро. На пример, енергијата на јонизација стекната со додавање на електрон кон атомското јадро на атом на водород е 13,6 eV - помалку од еден-милионити дел од 17,6 MeV ослободени при фузирање на деутериум и тритиум (реакцијата покажана во десниот дијаграм, во која еден грам на материја ослободува 339 GJ на енергија).

Реакциите на фузирање имаат енергетска густина која е многу пати поголема отколку енергетската густина на реакциите на нуклеарна фисија; реакциите на фузирање создаваат многу повеќе енергија, но индивидуални реакции на фисија се поенергетски отколку индивидуални реакции на фузирање, коишто по природа се милиони пати поенергетски отколку хемиските реакции. Само директна конверзија на материјата во енергија, како што има при анихилаторскиот судир на материјата и антиматеријата, е поенергетско отколку нуклеарната фузија.

Услови[уреди | уреди извор]

Детали и референци за материјалот во овој дел од артиклот можат да бидат најдени во книги за нуклеарна физика и нуклеарна фузија.[8]

Значителна енергетска бариера мора да се надмине за да дојде до фузирање. На големо растојание, две атомски јадра се одбиваат поради одбивната електростатична сила помеѓу нивните позитивно наелектризирани протони. Сепак, доколку две атомски јадра се на доволно мало растојание, електростатичната одбивност се надминува со силното заемодејство, кое е посилно на помало растојание.

Кога нуклеон, протон или неутрон, се додава кон атомското јадро силното заемодејство го привлекува кон другите нуклеони. Нуклеоните во внатрешноста на атомското јадро имаат повеќе соседни нуклеони отколку тие на површинскиот слој. Помали атомски јадра имаат поголем површинско-волуменски сооднос, енергијата на сврзување на секој нуклеон поради силното заемодејство се зголемува правопропорционално со големината на атомското јадро, но достигнува ограничувачка вредност која одговара на атомско јадро со дијаметар од околку четири нуклеони. Важно е да се напомени дека нуклеоните во горенаведената слика се само модели, тие во квантната физика претставуваат квантни објекти и поради тоа две нуклеони во атомското јадро се идентични. Поделувајќи ги нуклеоните во атомското јадро на нуклеони од внатрешноста и нуклеони на површинскиот слој всушност е безнајачно, а инклузијата на квантната механика е потребна за точни калкулации.


Поврзано[уреди | уреди извор]

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. Shultis, J.K. and Faw, R.E. (2002). Fundamentals of nuclear science and engineering. CRC Press. стр. 151. ISBN 0-8247-0834-2. http://books.google.com/books?id=SO4Lmw8XoEMC&pg=PA151. 
  2. Physics Flexbook. Ck12.org. Retrieved on 2012-12-19.
  3. Bethe, Hans A. "The Hydrogen Bomb", Bulletin of the Atomic Scientists, April 1950, p. 99.
  4. „Progress in Fusion“. ITER. http://www.iter.org/sci/beyonditer. конс. 15 февруари 2010. 
  5. „ITER - the way to new energy“. ITER. 2014. http://www.iter.org/proj/iterandbeyond. 
  6. „The National Ignition Facility: Ushering in a new age for high energy density science“. National Ignition Facility. http://scitation.aip.org/content/aip/journal/pop/16/4/10.1063/1.3116505. конс. 27 март 2014. 
  7. "DOE looks again at inertial fusion as potential clean-energy source", David Kramer, Physics Today, March 2011, p 26
  8. S. Atzeni, J. Meyer-ter-Vehn (2004). Chapter 1: "Nuclear fusion reactions". The Physics of Inertial Fusion. University of Oxford Press. ISBN 978-0-19-856264-1

Надворешни врски[уреди | уреди извор]

Organizations