Reactor ya athari za nyuklia kwa ufupi. Athari za nyuklia

Wakati wa somo, kila mtu ataweza kupata wazo kuhusu mada "Mitikio ya thermonuclear". Utajifunza nini mmenyuko wa thermonuclear, au mmenyuko wa muunganisho, ni. Utajifunza ni vitu vipi na chini ya hali gani zinaweza kuingia katika aina hii ya athari, na kufahamiana na maendeleo katika utumiaji wa athari za nyuklia kwa madhumuni ya amani.

Athari za nyuklia(au tu thermonuclear) ni mmenyuko wa muunganisho wa nuclei nyepesi kwenye kiini kimoja kipya, kama matokeo ambayo kiasi kikubwa cha nishati hutolewa. Inabadilika kuwa nishati nyingi hutolewa sio tu kama matokeo ya mgawanyiko wa viini vizito, nishati zaidi hutolewa wakati nuclei nyepesi huungana na kuchanganyika. Utaratibu huu unaitwa usanisi. Na majibu yenyewe ni mchanganyiko wa thermonuclear, athari za thermonuclear.

Ni vipengele gani vinavyohusika katika miitikio hii? Hizi kimsingi ni isotopu za hidrojeni na isotopu za heliamu. Kwa mfano, majibu yafuatayo yanaweza kutolewa:

Isotopu mbili za hidrojeni (deuterium na tritium), zikiunganishwa pamoja, huunda kiini cha heliamu, na neutroni pia huundwa. Wakati mmenyuko huu hutokea, nishati kubwa hutolewa E = 17.6 MeV.

Usisahau kwamba hii ni majibu moja tu. Na majibu moja zaidi. Viini viwili vya deuterium vinaungana pamoja na kuunda kiini cha heliamu:

Katika kesi hii, kiasi kikubwa pia hutolewa.

Ninatoa mawazo yako: kwa athari kama hizo kutokea, hali fulani zinahitajika. Kwanza kabisa, ni muhimu kuleta viini vya isotopu hizi karibu. Viini vina chaji chanya; katika kesi hii, nguvu za Coulomb hutenda, ambayo husukuma mashtaka haya kando. Hii ina maana kwamba tunahitaji kushinda nguvu hizi za Coulomb ili kuleta kiini kimoja karibu na kingine. Hii inawezekana tu ikiwa nuclei zenyewe zina nishati ya juu ya kinetic, wakati kasi ya viini hivi ni ya juu kabisa. Ili kufikia hili, ni muhimu kuunda hali ambapo viini vya isotopu vitakuwa na kasi hii, na hii inawezekana tu kwa joto la juu sana. Ni kwa njia hii tu tutaweza kuharakisha isotopu kwa kasi ambayo itawawezesha kukaribiana kwa umbali wa takriban 10 -14 m.

Mchele. 1. Umbali ambao viini vinahitaji kuletwa pamoja ili mmenyuko wa nyuklia kutokea

Umbali huu ndio hasa umbali ambao nguvu za nyuklia huanza kufanya kazi. Joto linalohitajika ni karibu t° = 10 7 - 10 8° C. Halijoto hii inaweza kufikiwa wakati mlipuko wa nyuklia unafanywa. Hivyo, ili kuzalisha mmenyuko wa thermonuclear, ni lazima kwanza tutoe mmenyuko wa fission wa nuclei nzito. Ni katika kesi hii kwamba tutafikia joto la juu, na kisha tu joto hili litafanya iwezekanavyo kuleta nuclei ya isotopu karibu na umbali ambapo wanaweza kuchanganya. Kama unavyoelewa, hii ndio kanuni ya kinachojulikana kama bomu ya hidrojeni.

Mchele. 2. Mlipuko wa bomu la hidrojeni

Sisi, kama watu wa amani, tunavutiwa kimsingi na matumizi ya athari za nyuklia kwa madhumuni ya amani kuunda mitambo sawa ya nguvu, lakini ya aina mpya.

Utafiti kwa sasa unaendelea kuhusu jinsi ya kuunda muunganisho wa nyuklia unaodhibitiwa. Njia mbalimbali hutumiwa kwa hili, mojawapo ni matumizi ya lasers kupata nishati ya juu na joto. Kwa msaada wa lasers wao huharakishwa kwa kasi ya juu, na katika kesi hii mmenyuko wa thermonuclear unaweza kutokea.

Kama matokeo ya mmenyuko wa nyuklia, kiwango kikubwa cha joto hutolewa, mahali kwenye kinu ambayo isotopu zinazoingiliana zitapatikana lazima iwe na maboksi ya kutosha ili dutu ambayo itakuwa kwenye joto la juu isiingiliane. na mazingira, pamoja na kuta za kitu ambapo iko. Kwa insulation hiyo, shamba la magnetic hutumiwa. Katika joto la juu la msingi, elektroni ambazo ziko pamoja huunda aina mpya ya suala - plasma. Plasma ni gesi iliyo na ioni kwa kiasi au kikamilifu, na mara tu gesi inapowekwa, ni nyeti kwa uga wa sumaku. Plasma inapitisha umeme; kwa msaada wa uwanja wa sumaku, inaweza kupewa umbo fulani na kushikiliwa kwa kiasi fulani. Walakini, suluhisho la kiufundi la kudhibiti athari ya nyuklia bado halijatatuliwa.

Mchele. 3. TOKAMAK - ufungaji wa toroidal kwa kufungwa kwa plasma ya magnetic

Kwa kumalizia, ningependa pia kutambua: athari za nyuklia zina jukumu muhimu katika mageuzi ya ulimwengu wetu. Kwanza kabisa, tunaona kwamba athari za nyuklia kutiririka kwenye Jua. Tunaweza kusema kwamba ni nishati ya athari za nyuklia ambayo ni nishati ambayo ilitengeneza mwonekano wa sasa wa ulimwengu wetu.

Orodha ya fasihi ya ziada

1. Bronshtein M.P. Atomi na elektroni. "Maktaba "Quantum". Vol. 1. M.: Nauka, 1980

2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizikia: Kitabu cha maandishi kwa darasa la 9 la shule ya upili. M.: Kuelimika

3. Kitaygorodsky A.I. Fizikia kwa kila mtu. Kitabu cha 4. Photons na nuclei. M.: Sayansi

4. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Fizikia. Optics. Fizikia ya quantum. Daraja la 11: kitabu cha maandishi kwa masomo ya kina ya fizikia. M.: Bustard

Mgawo wa somo.

1. Kama matokeo ya mmenyuko wa thermonuclear wa protoni mbili zinazochanganya, deuteron na neutrino huundwa. Ni chembe gani nyingine inaonekana?

2. Tafuta mzunguko γ - mionzi inayotolewa wakati wa mmenyuko wa thermonuclear:

Kama α -chembe hupata nishati ya 19.7 MeV

Atomu ndio msingi wa ujenzi wa Ulimwengu. Kuna aina mia moja tu za atomi. Vipengele vingi ni thabiti (kwa mfano, oksijeni na nitrojeni katika angahewa; kaboni, oksijeni na hidrojeni ni sehemu kuu za mwili wetu na viumbe vingine vyote vilivyo hai). Vipengele vingine, vingi vizito sana, haviko imara, kumaanisha kwamba vinaoza wenyewe na kuunda vipengele vingine. Mabadiliko haya yanaitwa mmenyuko wa nyuklia.

Miitikio ya nyuklia ni mabadiliko ya viini vya atomiki wakati wa kuingiliana na chembe za msingi, g-quanta au kwa kila mmoja.

Athari za nyuklia zimegawanywa katika aina mbili: fission ya nyuklia na fusion ya thermonuclear.

Mmenyuko wa mtengano wa nyuklia ni mchakato wa kugawanya kiini cha atomiki katika viini viwili (mara nyingi chini ya tatu) na molekuli sawa, inayoitwa vipande vya mgawanyiko. Kama matokeo ya mgawanyiko, bidhaa zingine za athari zinaweza pia kutokea: nuclei nyepesi (haswa chembe za alpha), neutroni na mionzi ya gamma. Mgawanyiko unaweza kuwa wa hiari (papo hapo) na wa kulazimishwa.

Papo kwa papo (papo hapo) ni mpasuko wa nyuklia, wakati ambapo viini vizito kiasi huoza na kuwa vipande viwili vyenye takriban misa sawa.

Utengano wa papo hapo uligunduliwa kwa mara ya kwanza kwa urani asilia. Kama aina nyingine yoyote ya kuoza kwa mionzi, fission ya hiari ina sifa ya nusu ya maisha (kipindi cha mgawanyiko). Nusu ya maisha ya mgawanyiko wa hiari hutofautiana kwa viini tofauti ndani ya mipaka pana sana (kutoka miaka 1018 kwa 93Np237 hadi kumi kadhaa ya sekunde kwa vipengele vya transuranium).

Mgawanyiko wa kulazimishwa wa viini unaweza kusababishwa na chembe yoyote: fotoni, neutroni, protoni, deuteroni, b-chembe, nk, ikiwa nishati wanayochangia kwenye kiini inatosha kushinda kizuizi cha fission. Kwa nishati ya nyuklia, mgawanyiko unaosababishwa na neutroni ni muhimu zaidi. Mmenyuko wa mtengano wa viini vizito ulifanyika kwa mara ya kwanza kwenye uranium U235. Ili kiini cha uranium kioze katika vipande viwili, hupewa nishati ya kuwezesha. Kiini cha uranium hupokea nishati hii kwa kukamata nyutroni. Kiini kinakuja katika hali ya msisimko, inakuwa imeharibika, "daraja" inaonekana kati ya sehemu za kiini, na chini ya ushawishi wa nguvu za kukataa za Coulomb, kiini hugawanyika katika vipande viwili vya wingi usio na usawa. Vipande vyote viwili vina mionzi na hutoa neutroni 2 au 3 za upili.

Mchele. 4

Neutroni za sekondari hufyonzwa na viini vya urani jirani, na kuzifanya kugawanyika. Chini ya hali zinazofaa, mchakato wa kujiendeleza wa mgawanyiko mkubwa wa nyuklia, unaoitwa mmenyuko wa mnyororo wa nyuklia, unaweza kutokea. Mwitikio huu unaambatana na kutolewa kwa nishati kubwa. Kwa mfano, mwako kamili wa 1 g ya urani hutoa 8.28 · 1010 J ya nishati. Mmenyuko wa nyuklia unaonyeshwa na athari ya joto, ambayo ni tofauti kati ya raia wengine wa nuclei wanaoingia kwenye mmenyuko wa nyuklia na yale yaliyoundwa kama matokeo ya mmenyuko, i.e. Athari ya nishati ya mmenyuko wa nyuklia imedhamiriwa hasa na tofauti katika wingi wa nuclei ya mwisho na ya awali. Kulingana na usawa wa nishati na wingi, inawezekana kuhesabu nishati iliyotolewa au kutumika wakati wa mmenyuko wa nyuklia ikiwa tunajua hasa wingi wa nuclei zote na chembe zinazoshiriki katika majibu. Kulingana na sheria ya Einstein:

?E=?mс2
?E = (mA + mx - mB - yangu)c2

ambapo mA na mx ni wingi wa kiini cha lengo na kiini cha bombarding (chembe), kwa mtiririko huo;

mB na yangu ni wingi wa viini vilivyoundwa kama matokeo ya majibu.

Nishati zaidi iliyotolewa wakati wa kuundwa kwa kiini, ni nguvu zaidi. Nishati ya kuunganisha nyuklia ni kiasi cha nishati inayohitajika ili kutenganisha kiini cha atomi katika sehemu zake za sehemu - nucleons (protoni na neutroni).

Mfano wa mmenyuko usiodhibitiwa wa msururu wa mpasuko ni mlipuko wa bomu la atomiki; mmenyuko wa nyuklia unaodhibitiwa unafanywa katika vinu vya nyuklia.

Mchanganyiko wa thermonuclear ni mmenyuko kinyume na mgawanyiko wa atomiki, mmenyuko wa muunganisho wa nuclei nyepesi ya atomiki kwenye viini vizito, hutokea kwa joto la juu-juu na ikifuatana na kutolewa kwa kiasi kikubwa cha nishati. Utekelezaji wa muunganisho wa nyuklia unaodhibitiwa utawapa ubinadamu chanzo kipya cha nishati rafiki kwa mazingira na kivitendo kisichokwisha, ambacho kinategemea mgongano wa viini vya isotopu za hidrojeni, na hidrojeni ndio dutu inayopatikana kwa wingi zaidi Ulimwenguni.

Mchakato wa muunganisho hutokea kwa nguvu inayoonekana tu kati ya viini vya mwanga ambavyo vina chaji chanya kidogo na kwa joto la juu tu, wakati nishati ya kinetic ya viini vinavyogongana inatosha kushinda kizuizi kinachowezekana cha Coulomb. Miitikio kati ya isotopu nzito za hidrojeni (deuterium 2H na tritium 3H) hutokea kwa kasi ya juu isiyolinganishwa na uundaji wa viini vya heliamu vilivyofungwa kwa nguvu.

2D + 3T > 4He (3.5 MeV) + 1n (14.1 MeV)

Miitikio hii ni ya manufaa zaidi kwa tatizo la muunganisho unaodhibitiwa wa thermonuclear. Deuterium hupatikana katika maji ya bahari. Hifadhi zake zinapatikana kwa umma na ni kubwa sana: deuterium inachukua takriban 0.016% ya jumla ya idadi ya atomi za hidrojeni zinazounda maji, wakati bahari za ulimwengu hufunika 71% ya eneo la uso wa Dunia. Mwitikio unaohusisha tritium unavutia zaidi kwa sababu unaambatana na kutolewa kwa nishati kubwa na huendelea kwa kasi kubwa. Tritium ni mionzi (nusu ya maisha ya miaka 12.5) na haitokei kwa asili. Kwa hivyo, ili kuhakikisha utendakazi wa kinu inayopendekezwa ya thermonuclear kwa kutumia tritium kama mafuta ya nyuklia, uwezekano wa uzazi wa tritium lazima utolewe.

Mwitikio na kinachojulikana kama isotopu ya mwezi 3Ana faida kadhaa ikilinganishwa na mmenyuko wa deuterium-tritium, ambao unaweza kufikiwa zaidi chini ya hali ya nchi kavu.

2D + 3He > 4He (3.7 MeV) + 1p (14.7 MeV)

Manufaa:

1. 3Hana mionzi.
2. Makumi ya mara chini ya flux ya nutroni kutoka eneo la majibu, ambayo hupunguza kwa kasi mionzi iliyosababishwa na uharibifu wa vifaa vya miundo ya reactor;
3. Protoni zinazotokana, tofauti na neutroni, hukamatwa kwa urahisi na zinaweza kutumika kwa ajili ya uzalishaji wa ziada wa umeme.

Wingi wa isotopiki ya asili ya 3He katika anga ni 0.000137%. Wengi wa 3Yeye Duniani wamehifadhiwa tangu kuundwa kwake. Ni kufutwa katika vazi na hatua kwa hatua huingia anga. Duniani huchimbwa kwa kiasi kidogo sana, kiasi cha makumi kadhaa ya gramu kwa mwaka.

Heliamu-3 ni matokeo ya athari zinazotokea kwenye Jua. Matokeo yake, juu ya Mwezi, ambao hauna anga, kuna hadi tani milioni 10 za dutu hii ya thamani (kulingana na makadirio madogo - tani elfu 500). Wakati wa muunganisho wa nyuklia, wakati tani 1 ya heliamu-3 humenyuka na tani 0.67 za deuterium, nishati hutolewa sawa na mwako wa tani milioni 15 za mafuta (hata hivyo, uwezekano wa kiufundi wa mmenyuko huu haujasomwa kwa sasa). Kwa hivyo, rasilimali ya mwezi ya heliamu-3 inapaswa kutosha kwa idadi ya watu wa sayari yetu kwa angalau milenia ijayo. Tatizo kuu linabakia ukweli wa kuchimba heliamu kutoka kwenye udongo wa mwezi. Maudhui ya heliamu-3 katika regolith ni ~ 1 g kwa tani 100. Kwa hiyo, ili kutoa tani ya isotopu hii, angalau tani milioni 100 za udongo lazima zifanyike. Joto ambalo mmenyuko wa mchanganyiko wa thermonuclear unaweza kutokea hufikia thamani ya utaratibu wa 108 - 109 K. Kwa joto hili, dutu hii iko katika hali ya ionized kabisa, ambayo inaitwa plasma. Kwa hivyo, ujenzi wa reactor unahusisha: kupata plasma inapokanzwa kwa joto la mamia ya mamilioni ya digrii; kudumisha usanidi wa plasma kwa muda kwa athari za nyuklia kutokea.

Nishati ya nyuklia ina faida muhimu zaidi ya mitambo ya nyuklia: hutumia deuterium isiyo na mionzi kabisa na isotopu ya heli-3 na tritium ya mionzi, lakini kwa kiasi cha maelfu ya mara ndogo kuliko nishati ya nyuklia. Na katika hali zinazowezekana za dharura, asili ya mionzi karibu na mmea wa nguvu ya nyuklia haitazidi viashiria vya asili. Wakati huo huo, kwa uzito wa kitengo cha mafuta ya nyuklia, takriban mara milioni 10 zaidi ya nishati hupatikana kuliko wakati wa mwako wa mafuta ya kikaboni, na takriban mara 100 zaidi kuliko wakati wa kupasuka kwa viini vya urani. Chini ya hali ya asili, athari za nyuklia hutokea katika kina cha nyota, hasa katika maeneo ya ndani ya Jua, na hutumika kama chanzo cha mara kwa mara cha nishati ambacho huamua mionzi yao. Mwako wa hidrojeni katika nyota hutokea kwa kiwango cha chini, lakini ukubwa mkubwa na msongamano wa nyota huhakikisha utoaji unaoendelea wa mito mikubwa ya nishati kwa mabilioni ya miaka.

Vipengele vyote vya kemikali vya sayari yetu na Ulimwengu kwa ujumla viliundwa kama matokeo ya athari za nyuklia zinazotokea kwenye msingi wa nyota. Athari za nyuklia katika nyota husababisha mabadiliko ya taratibu katika muundo wa kemikali wa vitu vya nyota, ambayo husababisha urekebishaji wa nyota na maendeleo yake kwenye njia ya mageuzi. Hatua ya kwanza ya mageuzi inaisha na kupungua kwa hidrojeni katika maeneo ya kati ya nyota. Kisha, baada ya ongezeko la joto linalosababishwa na ukandamizaji wa tabaka za kati za nyota, kunyimwa vyanzo vya nishati, athari za nyuklia za mwako wa heliamu huwa na ufanisi, ambazo hubadilishwa na mwako wa C, O, Si na vipengele vinavyofuata - hadi Fe. na Ni. Kila hatua ya mageuzi ya nyota inalingana na athari fulani za nyuklia. Ya kwanza katika mlolongo wa athari hizo za nyuklia ni athari za nyuklia ya hidrojeni. Wanaendelea kwa njia mbili kulingana na hali ya joto ya awali katikati ya nyota. Njia ya kwanza ni mzunguko wa hidrojeni, njia ya pili ni mzunguko wa CNO.

Mzunguko wa haidrojeni:

1H + 1H = 2D + e+ + v +1.44 MeV
2D + 1H = 3He + g +5.49 MeV

Mimi: 3Yeye + 3He = 4He + 21H + 12.86 MeV

au 3Yeye + 4He = 7Kuwa + g + 1.59 MeV

7Be + e- = 7Li + v + 0.862 MeV au 7Be + 1H = 8B + g +0.137 MeV

II: 7Li + 1H = 2 4He + 17.348 MeV 8B = 8Be* + e+ + v + 15.08 MeV

III. 8Be* = 2 4He + 2.99 MeV

Mzunguko wa hidrojeni huanza kwa mgongano wa protoni mbili (1H, au p) ili kuunda kiini cha deuterium (2D). Deuterium humenyuka pamoja na protoni kuunda isotopu nyepesi (mwezi) ya heliamu 3Yeye, ikitoa fotoni ya gamma (g). Isotopu ya mwezi 3Anaweza kuitikia kwa njia mbili tofauti: mbili 3He viini vinagongana na kuunda 4Yeye kwa kuondoa protoni mbili, au 3Anachanganya na 4He na kutoa 7Be. Mwisho, kwa upande wake, unakamata ama elektroni (e-) au protoni na tawi lingine la mlolongo wa athari za protoni hutokea. Matokeo yake, mzunguko wa hidrojeni unaweza kuishia kwa njia tatu tofauti I, II na III. Ili kutekeleza tawi la I, athari mbili za kwanza za V. c. lazima kutokea mara mbili, kwa kuwa katika kesi hii mbili 3He viini kutoweka mara moja. Katika tawi la III, neutrino zenye nguvu hutolewa wakati wa kuoza kwa kiini cha boroni 8B na kuundwa kwa kiini cha beriliamu kisicho imara katika hali ya msisimko (8Be*), ambayo karibu mara moja huoza katika nuclei mbili za 4He. Mzunguko wa CNO ni seti ya mizunguko mitatu iliyounganishwa au, kwa usahihi zaidi, inayopishana kwa kiasi: CN, NO I, NO II. Mchanganyiko wa heliamu kutoka kwa hidrojeni katika athari za mzunguko huu hutokea kwa ushiriki wa vichocheo, jukumu ambalo linachezwa na mchanganyiko mdogo wa C, N na O isotopu katika suala la nyota.

Njia kuu ya athari ya mzunguko wa CN ni:

12C + p = 13N + g +1.95 MeV
13N = 13C + e+ + n +1.37 MeV
13C + p = 14N + g +7.54 MeV (miaka 2.7 106)
14N + p = 15O + g +7.29 MeV (miaka 3.2 108)
15O = 15N + e+ + n +2.76 MeV (sekunde 82)
15N + p = 12C + 4He +4.96 MeV (miaka 1.12 105)

Kiini cha mzunguko huu ni usanisi usio wa moja kwa moja wa chembe b kutoka kwa protoni nne wakati wa kukamata kwao mfululizo na nuclei, kuanzia 12C.

Katika mmenyuko na kukamata kwa protoni na kiini cha 15N, matokeo mengine yanawezekana - uundaji wa kiini cha 16O na mzunguko mpya wa NO I huzaliwa.

Inayo muundo sawa na mzunguko wa CN:

14N + 1H = 15O + g +7.29 MeV
15O = 15N + e+ + n +2.76 MeV
15N + 1H = 16O + g +12.13 MeV
16O + 1H = 17F + g +0.60 MeV
17F = 17O + e+ + n +2.76 MeV
17O + 1H = 14N + 4He +1.19 MeV

Mzunguko wa NO I huongeza kiwango cha kutolewa kwa nishati katika mzunguko wa CN, na kuongeza idadi ya viini vya kichocheo katika mzunguko wa CN.

Mwitikio wa mwisho wa mzunguko huu pia unaweza kuwa na matokeo tofauti, na hivyo kusababisha mzunguko mwingine wa NO II:

15N + 1H = 16O + g +12.13 MeV
16O + 1H = 17F + g +0.60 MeV
17F = 17O + e+ + n +2.76 MeV
17O + 1H = 18F + g +5.61 MeV
18O + 1H = 15N + 4He +3.98 MeV

Kwa hivyo, mizunguko ya CN, NO I na NO II huunda mzunguko wa mwisho wa CNO.

Kuna mzunguko mwingine wa polepole sana wa nne, mzunguko wa OF, lakini jukumu lake katika uzalishaji wa nishati ni kidogo. Hata hivyo, mzunguko huu ni muhimu sana katika kueleza asili ya 19F.

17O + 1H = 18F + g + 5.61 MeV
18F = 18O + e+ + n + 1.656 MeV
18O + 1H = 19F + g + 7.994 MeV
19F + 1H = 16O + 4He + 8.114 MeV
16O + 1H = 17F + g + 0.60 MeV
17F = 17O + e+ + n + 2.76 MeV

Wakati wa mwako wa kulipuka wa hidrojeni kwenye tabaka za uso wa nyota, kwa mfano, wakati wa milipuko ya supernova, joto la juu sana linaweza kuendeleza, na asili ya mzunguko wa CNO hubadilika sana. Inageuka mzunguko unaoitwa moto wa CNO, ambao majibu ni ya haraka sana na ya kuchanganya.

Vipengele vya kemikali vizito kuliko 4Huanza kuunganishwa tu baada ya mwako kamili wa hidrojeni katika eneo la kati la nyota:

4Yeye + 4He + 4He > 12C + g + 7.367 MeV

Athari za mwako wa kaboni:

12C + 12C = 20Ne + 4He +4.617 MeV
12C + 12C = 23Na + 1H -2.241 MeV
12C + 12C = 23Mg + 1n +2.599 MeV
23Mg = 23Na + e+ + n + 8.51 MeV
12C + 12C = 24Mg + g +13.933 MeV
12C + 12C = 16O + 24He -0.113 MeV
24Mg + 1H = 25Al + g

Wakati joto linafikia 5 · 109 K katika nyota chini ya hali ya usawa wa thermodynamic, idadi kubwa ya athari mbalimbali hutokea, na kusababisha kuundwa kwa nuclei ya atomiki hadi Fe na Ni.

Ni vipengele gani vinavyohusika katika miitikio hii? Hizi kimsingi ni isotopu za hidrojeni na isotopu za heliamu. Kwa mfano, majibu yafuatayo yanaweza kutolewa:

Isotopu mbili za hidrojeni (deuterium na tritium), zikiunganishwa pamoja, huunda kiini cha heliamu, na neutroni pia huundwa. Wakati mmenyuko huu hutokea, nishati kubwa hutolewa E = 17.6 MeV.

Usisahau kwamba hii ni majibu moja tu. Na majibu moja zaidi. Viini viwili vya deuterium vinaungana pamoja na kuunda kiini cha heliamu:

Katika kesi hii, kiasi kikubwa pia hutolewa.

Mchele. 1. Umbali ambao viini vinahitaji kuletwa pamoja ili mmenyuko wa nyuklia kutokea

Mchele. 2. Mlipuko wa bomu la hidrojeni

Sisi, kama watu wa amani, tunavutiwa kimsingi na matumizi ya athari za nyuklia kwa madhumuni ya amani kuunda mitambo sawa ya nguvu, lakini ya aina mpya.

Mchele. 3. TOKAMAK - ufungaji wa toroidal kwa kufungwa kwa plasma ya magnetic

Orodha ya fasihi ya ziada

1. Bronshtein M.P. Atomi na elektroni. "Maktaba "Quantum". Vol. 1. M.: Nauka, 1980

2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizikia: Kitabu cha maandishi kwa darasa la 9 la shule ya upili. M.: Kuelimika

3. Kitaygorodsky A.I. Fizikia kwa kila mtu. Kitabu cha 4. Photons na nuclei. M.: Sayansi

4. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Fizikia. Optics. Fizikia ya quantum. Daraja la 11: kitabu cha maandishi kwa masomo ya kina ya fizikia. M.: Bustard

Mgawo wa somo.

1. Kama matokeo ya mmenyuko wa thermonuclear wa protoni mbili zinazochanganya, deuteron na neutrino huundwa. Ni chembe gani nyingine inaonekana?

2. Tafuta mzunguko γ - mionzi inayotolewa wakati wa mmenyuko wa thermonuclear:

Kama α -chembe hupata nishati ya 19.7 MeV

Athari za nyuklia
Athari za nyuklia

Athari za nyuklia− athari za muunganisho (utangulizi) wa nuklei nyepesi zinazotokea kwenye joto la juu. Athari hizi kawaida huhusisha kutolewa kwa nishati, kwa kuwa katika kiini kizito kilichoundwa kutokana na kuunganishwa kwa nucleons zimefungwa kwa nguvu zaidi, i.e. kuwa, kwa wastani, nishati ya juu zaidi ya kuunganisha kuliko katika viini asili vya kuunganisha. Nishati ya ziada ya kumfunga ya nucleons hutolewa kwa namna ya nishati ya kinetic ya bidhaa za majibu. Jina "athari za nyuklia" linaonyesha ukweli kwamba athari hizi hutokea kwenye joto la juu ( > 10 7 -10 8 K), kwa kuwa kwa fusion nuclei mwanga lazima kuja pamoja na umbali sawa na radius ya hatua ya nguvu za nyuklia kuvutia, i.e. kwa umbali wa ≈ 10 -13 cm Na nje ya eneo la utekelezaji wa nguvu hizi, viini vilivyo na chaji chanya hupata uzoefu wa kurudisha nyuma kwa Coulomb. Viini tu vinavyoruka kuelekea kila mmoja kwa kasi ya juu vinaweza kuondokana na ukataaji huu, i.e. imejumuishwa katika mazingira yenye joto sana, au kuharakishwa haswa.
Hapo chini kuna athari kadhaa kuu za muunganisho wa nyuklia na maadili ya kutolewa kwa nishati Q yameonyeshwa kwao. d inamaanisha deuteron - 2 N nucleus, t inamaanisha triton - 3 N nucleus.

d + d → 3 Yeye + n + 4.0 MeV,
d + d → t + p + 3.25 MeV,
t + d → 4 Yeye + n + 17.6 MeV,
3 Yeye + d → 4 Yeye + p + 18.3 MeV.

Mwitikio wa muunganisho wa nyuklia huanza wakati viini vinavyogongana viko katika eneo la mvuto wao wa nyuklia. Ili kupata karibu sana, viini vinavyogongana lazima vishinde msukumo wao wa kuheshimiana wa masafa marefu ya kielektroniki, i.e. Kizuizi cha Coulomb. Kiwango cha mmenyuko wa muunganisho ni cha chini sana kwa nishati chini ya keV chache, lakini huongezeka kwa kasi kwa kuongezeka kwa nishati ya kinetiki ya viini kuingia kwenye mmenyuko. Majibu yanayolingana ya sehemu za msalaba kulingana na nishati ya deuteron yanaonyeshwa kwenye Mtini. 1.

Mchele. 1. Utegemezi wa sehemu za msalaba zinazofaa kwa mmenyuko wa fusion
kutoka kwa nishati ya deuteron.

Athari za nyuklia zinazojitegemea ni chanzo bora cha nishati ya nyuklia. Hata hivyo, ni vigumu kuzitekeleza duniani, kwa kuwa hii inahitaji kudumisha viwango vya juu vya nuclei kwa joto kubwa. Hali muhimu kwa ajili ya tukio la athari za kujitegemea za thermonuclear zipo kwenye nyota, ambapo ni chanzo kikuu cha nishati. Kwa hivyo ndani ya Jua, ambapo viini vya hidrojeni ziko kwenye msongamano wa ≈100 g/cm 3 na joto la 10 7 K, kuna mlolongo wa athari za nyuklia zinazobadilisha protoni nne (nuclei za hidrojeni) kuwa kiini cha heliamu-4 (4). Yeye). Kila mabadiliko hayo hutoa nishati ya 26.7 MeV. Mlolongo huu wa athari (unaoitwa proton-proton) huanza na mmenyuko (1) na umeonyeshwa kwenye takwimu.

Mlolongo wa protoni-protoni.

Duniani, athari za kujitosheleza za nyuklia na kutolewa kwa nishati kubwa zilifanywa ndani ya muda mfupi sana (sekunde 10 -7 -10 -6) wakati wa milipuko ya mabomu ya hidrojeni. Mojawapo ya athari kuu za nyuklia ambayo hutoa kutolewa kwa nishati wakati wa milipuko kama hiyo ni muunganisho wa isotopu mbili nzito za hidrojeni (deuterium na tritium) kwenye kiini cha heliamu na utoaji wa nyutroni.

Mmenyuko wa nyuklia ni wa jamii ya athari za nyuklia, lakini, tofauti na mwisho, inahusisha mchakato wa malezi badala ya uharibifu.
Hadi sasa, lahaja mbili za muunganisho wa thermonuclear zimetengenezwa - muunganisho wa nyuklia unaolipuka na muunganisho wa thermonuclear unaodhibitiwa.

Kizuizi cha Coulomb au kwa nini watu bado hawajalipua

Viini vya atomiki hubeba chaji chanya. Hii ina maana kwamba wanapokaribia, nguvu ya kuchukiza huanza kutenda, ambayo ni kinyume chake na mraba wa umbali kati ya nuclei. Hata hivyo, kwa umbali fulani, ambayo ni sawa na 0.000 000 000 001 cm, mwingiliano mkali huanza kutenda, na kusababisha fusion ya nuclei ya atomiki.

Kama matokeo, kiasi kikubwa cha nishati hutolewa. Umbali unaozuia muunganisho wa viini unaitwa kizuizi cha Coulomb, au kizuizi kinachowezekana. Hali ambayo hii hutokea ni joto la juu, karibu digrii bilioni 1 Celsius. Katika kesi hii, dutu yoyote inageuka kuwa plasma. Dutu kuu ya kutekeleza mmenyuko wa thermonuclear ni tritium.

Mchanganyiko wa nyuklia unaolipuka

Njia hii ya kufanya mmenyuko wa nyuklia iliibuka mapema zaidi kuliko ile iliyodhibitiwa na ilitumiwa kwanza kwenye bomu ya hidrojeni. Dutu kuu inayolipuka ni lithiamu deuteride.

Bomu lina trigger - malipo ya plutonium na amplifier na chombo na mafuta ya thermonuclear. Kwanza, kichochezi hulipuka, na kutoa mapigo ya eksirei laini. Ganda la hatua ya pili, pamoja na filler ya plastiki, inachukua mionzi hii, inapokanzwa hadi plasma ya juu ya joto, ambayo ni chini ya shinikizo la juu.

Msukumo wa jet huundwa, ambao unabana kiasi cha hatua ya pili, kupunguza umbali wa nyuklia kwa maelfu ya nyakati. Katika kesi hii, mmenyuko wa thermonuclear haufanyiki. Hatua ya mwisho ni mlipuko wa nyuklia wa fimbo ya plutonium, ambayo huanza mmenyuko wa nyuklia. Lithium deuteride na neutroni kuunda tritium.

Mchanganyiko wa nyuklia unaodhibitiwa

Mchanganyiko wa nyuklia unaodhibitiwa unawezekana kwa sababu aina maalum za reactor hutumiwa. Mafuta ni deuterium, tritium, heliamu, lithiamu, boron-11.

Reactors:
1) Reactor kulingana na uundaji wa mfumo wa quasi-stationary ambao plasma imefungwa na uwanja wa sumaku.
2) Reactor kulingana na mfumo wa mapigo. Katika mitambo hii, shabaha ndogo zilizo na deuterium na tritium huwashwa kwa muda mfupi na mkondo wa chembe ya nguvu ya juu au leza.