Fuzijske reakcije v zvezdah
Fuzijske reakcije so primarni vir energije zvezd in mehanizem nukleosinteze svetlobnih elementov. V poznih tridesetih letih prejšnjega stoletja je Hans Bethe prvič ugotovil, da je fuzija vodikovih jeder v devterij eksoergična (tj. Da se sprosti čista energija) in da skupaj z naslednjimi jedrskimi reakcijami vodi do sinteze helija. Tvorba helija je glavni vir energije, ki ga oddajajo normalne zvezde, kot je Sonce, kjer ima plazma jedro srednjo temperaturo manj kot 15.000.000 K. Vendar pa plin, iz katerega nastane zvezda, pogosto vsebuje nekaj težjih elementov, predvsem ogljika (C) in dušika (N), je pomembno vključiti jedrske reakcije med protoni in temi jedri. Reakcijska veriga med protoni, ki na koncu privede do helija, je protonsko-protonski cikel. Kadar protoni sprožijo tudi izgorevanje ogljika in dušika, je treba upoštevati cikel CN; in ob vključitvi kisika (O) je treba upoštevati še eno alternativno shemo, dvocikl CNO. (Glej ogljikov cikel.)
jedrsko orožje: načela termonuklearnega (fuzijskega) orožja
Jedrska fuzija je spajanje (ali zlivanje) jeder dveh atomov, da tvorita en sam težji atom. Pri izredno visokih temperaturah - v
Cikel protonske-protonske jedrske fuzije v zvezdi, ki vsebuje samo vodik, se začne z reakcijo H + H → D + β + + ν; Q = 1,44 MeV, kjer Q-vrednost predpostavlja uničenje pozitrona z elektronom. Devterij lahko reagira z drugimi jedri devterija, ker pa je toliko vodika, je razmerje med D / H zelo nizko, običajno 10-18. Tako je naslednji korak H + D → 3 He + γ; Q = 5,49 MeV, kjer γ kaže, da gama žarki odnesejo nekaj energijskega donosa. Izgorevanje izotopa helija-3 nato povzroči navaden helij in vodik skozi zadnji korak v verigi: 3 He + 3 He → 4 He + 2 (H); Q = 12,86 MeV.
V ravnotežju helij-3 gori predvsem zaradi reakcij s samim seboj, ker je njegova hitrost reakcije z vodikom majhna, medtem ko je gorenje z devterijem zanemarljivo zaradi zelo nizke koncentracije devterija. Ko se helij-4 nabere, lahko reakcije s helijem-3 povzročijo nastanek še težjih elementov, vključno z berilijem-7, berilijem-8, litijem-7 in borom-8, če je temperatura višja od približno 10.000.000 K.
Stopnje evolucije zvezd so rezultat kompozicijskih sprememb v zelo dolgih obdobjih. Na drugi strani je velikost zvezde določena z ravnovesjem med pritiskom, ki ga izvaja vroča plazma, in gravitacijsko silo mase zvezde. Energija gorečega jedra se prevaža proti površini zvezde, kjer seva pri učinkoviti temperaturi. Učinkovita temperatura Sončeve površine je približno 6 000 K, oddajajo pa se znatne količine sevanja v vidnem in infrardečem območju valovne dolžine.
Fuzijske reakcije za kontrolirano proizvodnjo energije
Reakcije med devterijem in tritijem so najpomembnejše fuzijske reakcije za kontrolirano proizvodnjo energije, ker so preseki njihovega pojava visoki, praktične plazemske temperature, potrebne za neto sproščanje energije, so zmerne, energijski izkoristek reakcij pa visok - 17,58 MeV za osnovna DT fuzijska reakcija.
Treba je opozoriti, da vsaka plazma, ki vsebuje devterij, samodejno proizvede tritij in helij-3 iz reakcij devterija z drugimi devterijimi ioni. Lahko se uporabijo tudi druge fuzijske reakcije, ki vključujejo elemente z atomsko številko nad 2, vendar le z veliko večjimi težavami. Razlog je v tem, da se Kulomova bariera povečuje z naraščajočim nabojem jeder, kar vodi k zahtevi, da plazemska temperatura preseže 1.000.000.000 K, če želimo doseči pomemben utrip. Nekatere zanimivejše reakcije so:
-
M + 11 B → 3 (4 on); Q = 8,68 MeV;
-
H + 6 Li → 3 He + 4 He; Q = 4.023 MeV;
-
3 He + 6 Li → H + 2 (4 He); Q = 16,88 MeV; in
-
3 He + 6 Li → D + 7 Be; Q = 0,113 MeV.
Reakcija (2) pretvori litij-6 v helij-3 in navaden helij. Zanimivo je, da če reakciji (2) sledi reakcija (3), bo spet proizveden proton in na voljo za sprožanje reakcije (2), s čimer se postopek razmnoži. Na žalost se zdi, da se reakcija (4) zgodi 10-krat bolj verjetno kot reakcija (3).
Metode doseganja fuzijske energije
Praktična prizadevanja za izkoriščenje fuzijske energije vključujejo dva osnovna pristopa k zadrževanju visokotemperaturne plazme elementov, ki so podvrženi reakcijam jedrske fuzije: magnetna zaprtost in inercialna zaprtost. Precej manj verjeten, a kljub temu zanimiv pristop temelji na fuziji, ki jo katalizirajo mori; Raziskave na to temo so v nuklearni fiziki bistvene. Te tri metode so podrobno opisane v tem razdelku. Poleg tega so na kratko opisani postopki, ki jih popularno imenujemo hladna fuzija in fuzija mehurčkov.
Magnetna zaprtost
V magnetni zaprtosti se delci in energija vroče plazme zadržijo s pomočjo magnetnih polj. Napolnjen delček v magnetnem polju doživi Lorentzovo silo, ki je sorazmerna produktu hitrosti delca in magnetnemu polju. Ta sila povzroči spiranje elektronov in ionov glede smeri magnetne črte sile, s čimer omeji delce. Ko topologija magnetnega polja ustvari učinkovito magnetno jamico in je tlačno ravnovesje med plazmo in poljem stabilno, se lahko plazma omeji od materialnih meja. Toplota in delci se prevažajo vzdolž polja in čez njega, vendar se lahko izgube energije preprečijo na dva načina. Prva je povečati jakost magnetnega polja na dveh lokacijah vzdolž polja. Napolnjene delce, vsebovane med temi točkami, je mogoče odsevati naprej in nazaj, učinek, imenovan magnetno zrcaljenje. V osnovi ravnem sistemu z območjem povečanega magnetnega polja na vsakem koncu lahko delci še vedno uhajajo skozi konce zaradi raztresenja med delci, ko se približajo točkam zrcaljenja. Takšnim končnim izgubam se je mogoče popolnoma izogniti z ustvarjanjem magnetnega polja v topologiji tora (tj. Konfiguracije krofnice ali notranje cevi).
Zunanje magnete lahko uredimo tako, da ustvarijo topologijo magnetnega polja za stabilno zadrževanje v plazmi ali pa jih uporabimo v povezavi z magnetnimi polji, ki jih ustvarjajo tokovi, ki se sprožijo v sami plazmi. Konec šestdesetih je Sovjetska zveza doživela velik napredek pri izkoriščanju fuzijskih reakcij za praktično proizvodnjo energije. Sovjetski znanstveniki so dosegli visoko plazemsko temperaturo (približno 3.000.000 K), skupaj z drugimi fizikalnimi parametri, v stroju, imenovanem tokamak (glej sliko). Tokamak je sistem toroidnega magnetnega omejevanja, v katerem se plazma ohranja stabilno tako z zunanjim ustvarjenim magnetnim poljem v obliki krofov kot z električnimi tokovi, ki tečejo znotraj plazme. Od poznih šestdesetih let prejšnjega stoletja je bil tokamak glavni poudarek raziskav magnetne fuzije po vsem svetu, čeprav so se zasledili tudi drugi pristopi, kot so stellarator, kompaktni torus in obrnjeni poljski ščepec (RFP). V teh pristopih črte magnetnega polja sledijo spiralni ali vijačni poti, ko se črte magnetne sile gibljejo okoli torusa. V tokamaku je nagib vijačnice šibek, zato se poljske črte vijugajo okoli poloidne smeri (skozi osrednjo luknjo) torusa. V nasprotju s tem se polja RFP vetrajo veliko bolj tesno in se večkrat ovijejo v poloidno smer, preden dokončate eno zanko v toroidni smeri (okoli osrednje luknje).
Magnetno omejeno plazmo je treba segreti na temperature, pri katerih je jedrska fuzija živahna, običajno višja od 75 000 000 K (kar ustreza energiji 4,400 eV). To lahko dosežemo s povezovanjem radiofrekvenčnih valov ali mikrovalov na delce plazme, z vbrizgavanjem energetskih žarkov nevtralnih atomov, ki postanejo ionizirani in segrevajo plazmo, z magnetnim stiskanjem plazme ali z ohmičnim segrevanjem (znano tudi kot Joule ogrevanje) ki nastane, ko skozi plazmo prehaja električni tok.
Z zaposlitvijo koncepta tokamak so znanstveniki in inženirji v ZDA, Evropi in na Japonskem začeli sredi osemdesetih uporabljati velike eksperimentalne naprave tokamak za doseganje pogojev temperature, gostote in energije, ki se zdaj ujemajo s tistimi, potrebnimi za praktično proizvodnjo fuzijske energije. Stroji, ki se uporabljajo za doseganje teh rezultatov, vključujejo skupni evropski torus (JET) Evropske unije, japonski Tokamak-60 (JT-60) in do leta 1997 Tokamakov fuzijski testni reaktor (TFTR) v Združenih državah Amerike. V napravah TFTR in JET so poskusi z devterijem in tritijem ustvarili več kot 10 megavatov fuzijske moči in v bistvu pogoje za razpad energije v plazmi. Plazemski pogoji, ki so se približali tistim, ki so bili doseženi v tokakah, so bili v 90. letih prejšnjega stoletja doseženi tudi v velikih strojih stellaratorja v Nemčiji in na Japonskem.
