Що таке і як відбувається термоядерний синтез?

Енергію ядра можна отримати двома способами: розщеплюючи великі ядра на менші (поділ) або поєднуючи маленькі ядра в більші (синтез). Перший метод дає атомну (або ядерну) енергію, тоді як другий забезпечує енергію синтезу – саме так сонце та зірки виробляють свою енергію.

Щоб зрозуміти, як ми можемо отримувати енергію, синтезеючи два ядра, важливо знати кілька основних понять.

1. Атомні ядра складаються з протонів і нейтронів, кожен з яких має приблизно однакову масу, але різний електричний заряд.
2. Коли нуклони (узагальнене поняття для протонів і нейтронів) збираються в ядро, вони утримуються разом ядерною силою, яка вимірюється так званою енергією зв’язку. Сила енергії зв’язку варіюється від елемента до елемента у періодичній таблиці. Наприклад, найвища енергія зв’язку належить залізу (Fe⁵⁶), де 56 представляє кількість нуклонів у його ядрі.

Енергія вивільняється, коли елементи перетворюються в інші елементи, які мають вищу енергію зв’язку. Нижче ви можете побачити спрощену інверсну діаграму енергії зв’язку, яка ілюструє, як рух вниз з будь-якої сторони призводить до вивільнення енергії.

Енергія зв’язку насправді виводиться з різниці мас. Відповідно до рівняння Ейнштейна (E=mc²), енергія та маса можуть перетворюватися одна в одну. Масу урану є більшою, ніж сума мас продуктів розпаду атомної ланцюгової реакції (барій, Ba¹⁴⁴, і криптон Kr⁸⁹). Отже, в процесі розщеплення урану, певна маса втрачається. Ця втраченая маса перетворюється в енергію. Оскільки швидкість світла (c) є дуже великою величиною, (c²) ще більша, це означає, що невеликий дефект маси може призвести до значного вивільнення енергії.

маса урану > маса барію + маса криптону  

Аналогічно, під час поєднання дейтерію та тритію, маси гелію та нейтрону, які утворюються в результаті реакції, є меншими за початкові елементи синтезу.

маса дейтерію + маса тритію < маса гелію + маса нейтрону

Отже, маса була втрачена, а енергія отримана. Таким чином, перетворення водню в гелій вивільнить значну кількість енергії. Якщо бути більш конкретним, перший крок – це використання найпростішої можливої реакції, яка виглядає так:

D + T -> α + n + 17.6 MeV

• D – дейтерій, це ізотоп водню, що містить 1 протон і 1 нейтрон.

• T – тритій, що містить 1 протон і 2 нейтрони.

• α – ядро гелію (He⁴) з 2 протонами і 2 нейтронами.

• n – один нейтрон, який вивільняється під час реакції синтезу, несучи більшу частку енергії, близько 14 МеВ.

Проміжний стан реакції не є стабільним і негайно розпадається на гелій та нейтрон. Нейтрон несе приблизно 80% вивільненої енергії, і ця енергія повинна бути перетворена на тепло в термоядерній електростанції.

Хоча гелій, як продукт реакції, не є радіоактивним, нейтрон може викликати радіоактивність у стінах реактора, і цей матеріал повинен бути належним чином утилізований.

Тим не менше, радіоактивні відходи від термоядерних реакцій є приблизно в 1,000 разів меншими за ті, що виробляються під час реакцій розщеплення в ядерних реакторах. Важливо зазначити, що реакція дейтерій-тритій (D-T) вважається найгіршою з точки зору радіоактивності серед термоядерних реакцій. Однак вона також є найпростішою для реалізації.

Я обговорю альтернативні термоядерні реакції, які мають знижену або мінімальну радіоактивність, у окремій статті. Посилання буде надано пізніше. Якщо ви не хочете пропустити цю публікацію, будь ласка, підпишіться на розсилку, використовуючи форму в кінці даної статті.

Тепер я пропоную зосередитися на тому, як ми можемо ініціювати реакцію дейтерій-тритій (D-T), оскільки це далеко не легке завдання, і обговорити, чому нам потрібна гаряча плазма для цього процесу. Проте давайте продовжимо цю дискусію в іншому розділі. До зустрічі!

Дякую за увагу, Lumin Hopper