J?s jau ?inote, kad XX am?iaus viduryje. i?kilo problem? ie?kant nauj? energijos ?altini?. ?iuo at?vilgiu mokslinink? d?mes? patrauk? termobranduolin?s reakcijos.

• Termobranduolin? reakcija – tai lengv?j? branduoli? (toki? kaip vandenilis, helis ir kt.) susiliejimas, vykstantis nuo de?im?i? iki ?imt? milijon? laipsni? temperat?roje.

Auk?tos temperat?ros suk?rimas yra b?tinas, kad branduoliai gaut? pakankamai didel? kinetin? energij? – tik esant tokiai s?lygai branduoliai gal?s ?veikti elektrinio atst?mimo j?gas ir priart?ti pakankamai arti, kad patekt? ? branduolini? j?g? veikimo zon?. Tokiais ma?ais atstumais branduolio traukos j?gos gerokai vir?ija elektrinio atst?mimo j?gas, d?l kuri? galima branduoli? sintez? (t.y. susiliejimas, suvienijimas).

§ 58, naudojant urano pavyzd?, buvo parodyta, kad energija gali i?siskirti dalijant sunkiuosius branduolius. Lengv?j? branduoli? atveju energija gali i?siskirti atvirk?tinio proceso metu – j? sintez?s metu. Be to, lengv?j? branduoli? sintez?s reakcija yra energeti?kai palankesn? nei sunki?j? branduoli? dalijimosi reakcija (jei lygintume vienam nukleonui i?siskirian?i? energij?).

Termobranduolin?s reakcijos pavyzdys yra vandenilio izotop? (deuterio ir tri?io) susiliejimas, d?l kurio susidaro helis ir i?siskiria neutronas:

Tai pirmoji termobranduolin? reakcija, kuri? mokslininkams pavyko atlikti. Jis buvo ?gyvendintas termobranduolin?je bomboje ir tur?jo nekontroliuojam? (sprogstam?) pob?d?.

Kaip jau min?ta, termobranduolin?s reakcijos gali vykti i?skiriant didel? energijos kiek?. Ta?iau norint, kad ?i energija b?t? naudojama taikiems tikslams, b?tina i?mokti vykdyti kontroliuojamas termobranduolines reakcijas. Vienas i? pagrindini? sunkum? vykdant tokias reakcijas yra auk?tos temperat?ros plazmos (beveik visi?kai jonizuot? duj?) laikymas objekto, kuriame vyksta branduoli? sintez?, viduje. Plazma neturi liestis su ?renginio, kurioje ji yra, sienomis, kitaip sienos pavirs garais. ?iuo metu labai stipr?s magnetiniai laukai naudojami tam, kad plazma i?likt? ribotoje erdv?je tinkamu atstumu nuo sien?.

Termobranduolin?s reakcijos vaidina svarb? vaidmen? Visatos evoliucijoje, ypa? kei?iantis joje esan?ioms chemin?ms med?iagoms.

D?l termobranduolini? reakcij?, vykstan?i? Saul?s ?arnyne, i?siskiria energija, kuri suteikia gyvyb? ?em?s gyventojams.

M?s? Saul? ? kosmos? spinduliuoja ?vies? ir ?ilum? beveik 4,6 milijardo met?. Nat?ralu, kad visais laikais mokslininkus domino klausimas, kas yra „kuras“, d?l kurio tok? ilg? laik? Saul?je susidaro did?iulis energijos kiekis.

Apie tai buvo ?vairi? hipotezi?. Viena i? j? buvo ta, kad energija Saul?je i?siskiria d?l chemin?s degimo reakcijos. Ta?iau ?iuo atveju, kaip rodo skai?iavimai, Saul? gal?t? egzistuoti vos kelis t?kstan?ius met?, o tai prie?tarauja tikrovei.

Pirmin? hipotez? buvo i?kelta XIX am?iaus viduryje. Tai sudar? tai, kad vidin?s energijos padid?jimas ir atitinkamas Saul?s temperat?ros padid?jimas atsiranda d?l jos potencialios energijos suma??jimo gravitacinio susitraukimo metu. Tai taip pat pasirod? nepagr?sta, nes ?iuo atveju Saul?s gyvenimas pailg?ja iki milijon? met?, bet ne iki milijard?.

Prielaid?, kad energija Saul?je i?siskiria d?l joje vykstan?i? termobranduolini? reakcij?, 1939 m. padar? amerikie?i? fizikas Hansas Bethe.

Jie taip pat pasi?l? vadinam?j? vandenilio ciklas t.y. trij? termobranduolini? reakcij? grandin?, vedanti ? helio susidarym? i? vandenilio:

kur yra dalel?, vadinama „neutrino“, kuri itali?kai rei?kia „ma?as neutronas“.

Norint gauti du branduolius, reikalingus tre?iajai reakcijai, pirmieji du turi ?vykti du kartus.

J?s jau ?inote, kad pagal formul? E \u003d mc 2, ma??jant k?no vidinei energijai, ma??ja ir jo mas?.

Norint ?sivaizduoti, kokio mil?ini?ko energijos kiekio Saul? praranda d?l vandenilio pavertimo heliu, pakanka ?inoti, kad Saul?s mas? kas sekund? suma??ja keliais milijonais ton?. Ta?iau, nepaisant nuostoli?, vandenilio atsarg? Saul?je tur?t? pakakti dar 5–6 milijardams met?.

Tokios pat reakcijos vyksta ir kit? ?vaig?d?i? viduje, kuri? mas? ir am?ius prilyginami Saul?s masei ir am?iui.

Klausimai

1. Kokia reakcija vadinama termobranduoline? Pateikite reakcijos pavyzd?.
2. Kod?l termobranduolin? reakcija ?manoma tik esant labai auk?tai temperat?rai?
3. Kuri reakcija energeti?kai palankesn? (vienam nukleonui): lengv?j? branduoli? susiliejimas ar sunki?j? branduoli? dalijimasis?
4. Koks yra vienas i? pagrindini? sunkum? ?gyvendinant termobranduolines reakcijas?
5. Koks yra termobranduolini? reakcij? vaidmuo gyvyb?s ?em?je egzistavimui?
6. Kas pagal ?iuolaikines koncepcijas yra saul?s energijos ?altinis?
7. Kiek laiko tur?t? trukti vandenilio tiekimas ? Saul?, mokslinink? skai?iavimais?

Tai smalsu...

Elementariosios dalel?s. antidaleli?

Dalel?s, sudaran?ios ?vairi? med?iag? atomus – elektron?, proton? ir neutron? – vadinamos elementariomis. ?odis „elementarius“ rei?k?, kad ?ios dalel?s yra pirmin?s, papras?iausios, toliau nedalomos ir nekei?iamos. Ta?iau netrukus paai?k?jo, kad ?ios dalel?s visai n?ra nekintan?ios. Visi jie bendraudami turi galimyb? virsti vienas kitu.

Tod?l ?iuolaikin?je fizikoje terminas „elementariosios dalel?s“ da?niausiai vartojamas ne tikslia reik?me, o ?vardijant didel? grup? ma?iausi? materijos daleli?, kurios n?ra atomai ar atom? branduoliai (i?imtis yra protonas, kuris vandenilio atomo branduolys ir kartu priklauso elementariosioms dalel?ms).

?iuo metu ?inoma daugiau nei 350 skirting? elementari?j? daleli?. ?ios dalel?s yra labai ?vairios savo savyb?mis. Jie gali skirtis vienas nuo kito mase, elektros kr?vio ?enklu ir dyd?iu, gyvavimo trukme (t. y. laikas nuo dalel?s susidarymo momento iki momento, kai ji virsta bet kuria kita dalele), prasiskverbimo geb?jimu (t. y. geb?jimu ?siskverbti). praeiti per materij?) ir kitus po?ymius. Pavyzd?iui, dauguma daleli? yra „trumpaam??s“ – jos gyvena ne ilgiau kaip dvi milijonines sekund?s dalis, o vidutin? neutrono gyvavimo trukm? u? atomo branduolio yra 15 minu?i?.

Svarbiausias atradimas elementari?j? daleli? tyrim? srityje buvo padarytas 1932 m., kai amerikie?i? fizikas Carlas Davidas Andersonas magnetiniame lauke ?taisytoje debes? kameroje aptiko ne?inomos dalel?s p?dsak?. Pagal ?io p?dsako pob?d? (pagal kreivumo spindul?, lenkimo krypt? ir kt.) mokslininkai nustat?, kad j? paliko dalel?, kuri yra tarsi elektronas su teigiamu elektros kr?viu. ?i dalel? vadinama pozitronu.

?domu tai, kad likus metams iki eksperimentinio pozitrono atradimo, jo egzistavim? teori?kai numat? angl? fizikas Paulas Diracas (kaip tik tokios dalel?s egzistavimas i?plauk? i? jo i?vestos lygties). Be to, Diracas numat? vadinamuosius susinaikinimo (i?nykimo) procesus ir elektron?-pozitron? poros suk?rim?. Naikinimas susideda i? to, kad elektronas ir pozitronas i?nyksta, kai susitinka ir virsta g-kvantais (fotonais). O kai g-kvantas susiduria su kokiu nors masyviu branduoliu, susidaro elektron?-pozitron? pora.

Abu ?ie procesai pirm? kart? buvo stebimi eksperimenti?kai 1933 m. 166 paveiksle pavaizduoti elektrono ir pozitrono p?dsakai, susidar? g kvantui susid?rus su ?vino atomu g spinduliams praeinant pro ?vino plok?t?. Eksperimentas buvo atliktas debes? kameroje, esan?ioje magnetiniame lauke. Tas pats takeli? kreivumas rodo t? pa?i? daleli? mas?, o kreivumas skirtingomis kryptimis – prie?ingus elektros kr?vio po?ymius.

Ry?iai. 166. Elektron? ir pozitron? poros p?dsakai magnetiniame lauke

1955 m. buvo atrasta kita antidalel? – antiprotonas (kurio egzistavimas taip pat i?plauk? i? Dirako teorijos), o kiek v?liau – antineutronas. Antineutronas, kaip ir neutronas, neturi elektros kr?vio, ta?iau neabejotinai priklauso antidalel?ms, nes dalyvauja anihiliacijos procese ir kuriant neutron?-antineutron? por?.

Galimyb? gauti antidaleli? paskatino mokslininkus sukurti antimed?iag?. Antimed?iagos atomai tur?t? b?ti statomi taip: atomo centre yra neigiamo kr?vio branduolys, susidedantis i? antiproton? ir antineutron?, o aplink branduol? sukasi pozitronai. Apskritai atomas yra neutralus. ?i id?ja taip pat sulauk? puikaus eksperimentinio patvirtinimo. 1969 m. Serpuchove esan?iame proton? greitintuve soviet? fizikai gavo antihelio atom? branduolius.

?iuo metu eksperimenti?kai aptiktos beveik vis? ?inom? elementari?j? daleli? antidalel?s.

Skyriaus rezultatai. Svarbiausias

Toliau pateikiamos fizin?s s?vokos ir rei?kiniai. Apibr??im? ir formuluo?i? pateikimo seka neatitinka s?vok? sekos ir pan.

Perkelkite s?vok? pavadinimus ? s?siuvin? ir lau?tiniuose skliaustuose ?veskite ?i? s?vok? atitinkant? apibr??imo (formuluot?s) eil?s numer?.

• Radioaktyvumas;
• branduolinis (planetinis) atomo sandaros modelis;
• atomo branduolys;
• radioaktyviosios atom? branduoli? transformacijos;
• eksperimentiniai daleli? tyrimo metodai atomin?je ir branduolin?je fizikoje;
• branduolin?s paj?gos;
• branduolio suri?imo energija;
• atomo branduolio mas?s defektas;
• grandinin? reakcija ;
• branduolinis reaktorius ;
• aplinkos ir socialines problemas, kylan?ias d?l atomini? elektrini? naudojimo;
• sugertos radiacijos doz?.

1. Daleli? registravimas naudojant Geigerio skaitikl?, daleli? p?dsak? (?skaitant dalyvaujan?i? branduolin?se reakcijose) tyrimas ir fotografavimas debes? kameroje ir burbul? kameroje.
2. Patrauklios j?gos, veikian?ios tarp nukleon? atom? branduoliuose ir gerokai vir?ijan?ios elektrostatin?s atst?mimo j?gas tarp proton?.
3. Minimali energija, reikalinga branduoliui padalinti ? atskirus nukleonus.
4. Savaimin? tam tikr? radioaktyvi?j? spinduli? element? atom? emisija.
5. Prietaisas, skirtas vykdyti kontroliuojam? branduolin? reakcij?.
6. Susideda i? nukleon? (t.y. proton? ir neutron?).
7. Radioaktyviosios atliekos, avarij? galimyb?, branduolini? ginkl? platinimo skatinimas.
8. Atomas susideda i? teigiamai ?krauto branduolio, esan?io jo centre, aplink kur? elektronai cirkuliuoja daug didesniu atstumu nei branduolio dydis.
9. Vieno cheminio elemento pavertimas kitu a- arba v-skilimo metu, d?l kurio pasikei?ia pradinio atomo branduolys.
10. Skirtumas tarp branduol? sudaran?i? nukleon? masi? sumos ir ?io branduolio mas?s.
11. Savaime i?silaikanti sunki?j? branduoli? dalijimosi reakcija, kurios metu nuolat dauginasi neutronai, skildami vis daugiau nauj? branduoli?.
12. Jonizuojan?iosios spinduliuot?s energija, kuri? sugeria skleid?iama med?iaga (ypa? k?no audiniai) ir apskai?iuojama mas?s vienetui.

patikrink save

termobranduolin?s reakcijos
termobranduolin?s reakcijos

termobranduolin?s reakcijos- lengv?j? branduoli? sintez?s reakcijos (sintez?), vykstan?ios auk?toje temperat?roje. ?ios reakcijos da?niausiai vyksta i?siskiriant energijai, nes sunkesniame branduolyje, susidariusiame d?l sintez?s, nukleonai yra suri?ti stipriau, t.y. Vidutini?kai turi didesn? suri?imo energij? nei pradiniuose susiliejan?iuose branduoliuose. Tada perteklin? nukleon? suri?imo energija i?siskiria reakcijos produkt? kinetin?s energijos pavidalu. Pavadinimas „sintez?s reakcijos“ atspindi fakt?, kad ?ios reakcijos vyksta auk?toje temperat?roje ( > 10 7 –10 8 K), nes susijungimui lengvieji branduoliai turi priart?ti vienas prie kito iki atstum?, lygi? branduolini? traukos j?g? veikimo spinduliui, t.y. iki ?10 -13 cm atstum? O u? ?i? j?g? veikimo zonos rib? teigiamai ?krauti branduoliai patiria Kulono atst?mim?. ?? atst?mim? gali ?veikti tik dideliu grei?iu vienas kito link skrendantys branduoliai, t.y. ?traukta ? labai ?kaitint? terpi? sud?t? arba specialiai pagreitinta.
?emiau pateikiamos kelios pagrindin?s branduoli? sintez?s reakcijos ir joms skiriamos energijos vert?s Q. d rei?kia deuteronas - 2 H branduolys, t rei?kia tritonas - 3 H branduolys.

d + d -> 3 He + n + 4,0 MeV,
d + d -> t + p + 3,25 MeV,
t + d -> 4 He + n + 17,6 MeV,
3 He + d -> 4 He + p + 18,3 MeV.

Branduolin?s sintez?s reakcija prasideda, kai susiduriantys branduoliai yra j? tarpusavio branduolio traukos srityje. Kad priart?t? taip arti, susid?r? branduoliai turi ?veikti tarpusavio tolim? elektrostatin? atst?mim?, t.y. Kulono barjeras. Sintez?s reakcijos greitis yra labai ma?as, kai energija yra ma?esn? nei keli keV, ta?iau ji greitai did?ja did?jant ? reakcij? patenkan?i? branduoli? kinetinei energijai. Atitinkami efektyv?s reakcijos skerspj?viai, priklausantys nuo deuterono energijos, parodyti Fig. vienas.

Ry?iai. 1. Susiliejimo reakcijos efektyvi?j? skerspj?vi? priklausomyb?
i? deuterono energijos.

Savaime i?silaikan?ios termobranduolin?s reakcijos yra efektyvus branduolin?s energijos ?altinis. Ta?iau juos ?gyvendinti ?em?je sunku, nes tam b?tina i?laikyti didel? branduoli? koncentracij? esant mil?ini?koms temperat?roms. B?tinos s?lygos savaime i?silaikan?ioms termobranduolin?ms reakcijoms atsirasti yra ?vaig?d?se, kur jos yra pagrindinis energijos ?altinis. Taigi Saul?s viduje, kur vandenilio branduoliai yra esant ?100 g / cm 3 tankiui ir 10 7 K temperat?rai, yra keturi? proton? (vandenilio branduoli?) virsmo heliu-4 termobranduolini? reakcij? grandin?. branduolys (4 He). Kiekviena tokia transformacija i?skiria 26,7 MeV energij?. ?i reakcij? grandin? (vadinama protonu-protonu) prasideda reakcija (1) ir parodyta paveiksl?lyje.

Proton?-proton? grandin?.

?em?je per vandenilini? bomb? sprogimus labai trump? laik? (10 -7 -10 -6 sek.) buvo vykdomos savaime i?silaikan?ios termobranduolin?s reakcijos, i?siskirian?ios mil?ini?ka energija. Viena i? pagrindini? termobranduolini? reakcij?, u?tikrinan?i? energijos i?siskyrim? toki? sprogim? metu, yra dviej? sunki?j? vandenilio izotop? (deuterio ir tri?io) susiliejimas ? helio branduol?, i?skiriant neutron?.

3 ?vadas

I skyrius: elementariosios dalel?s ir istorija

Truputis istorijos 5

Atomo sandara 6

II skyrius: Termobranduolin?s reakcijos

Termobranduolini? reakcij? tipai 8

Protono-protono reakcija 9

Anglies-azoto ciklas 10

III skyrius: saul?s energija

Termobranduolin?s reakcijos su sunkesniais elementais 14

Pirmieji ?sp?d?iai su saul?s energija 15

Saul?s energijos pavertimas ?iluma, darbas

ir elektra 15

18 i?vada

Naudotos literat?ros s?ra?as 19

?VADAS

Energija atsirado prie? kelis milijonus met?, kai ?mon?s i?moko naudotis ugnimi. Ugnis suteik? jiems ?ilumos ir ?viesos, buvo ?kv?pimo ir optimizmo ?altinis, ginklas prie? prie?us ir laukinius gyv?nus, vaistas, pagalbininkas ?em?s ?kyje, maisto konservantas, technologin? priemon? ir kt.

Daugel? met? ugnis buvo palaikoma deginant augalinius energijos ?altinius (mediena, kr?mai, nendr?s, ?ol?, sausi dumbliai ir kt.), o tada buvo atrasta, kad ugniai palaikyti galima panaudoti i?kastines med?iagas: angl?, naft?. , skal?nai, durp?s.

Nuostabus mitas apie Promet?j?, davus? ?mon?ms ugn?, Senov?s Graikijoje atsirado daug v?liau nei daugelyje pasaulio ?ali? gana ?mantriai valdyti ugn?, jos gamybos ir gesinimo, ugnies tausojimo ir racionalaus kuro naudojimo b?dai.

Dabar ?inoma, kad mediena yra saul?s energija, sukaupta fotosintez?s metu. Deginant kiekvien? kilogram? sausos medienos i?siskiria apie 20 000 kJ ?ilumos, rud?j? angli? ?ilumingumas yra apie 13 000 kJ/kg, antracito – 25 000 kJ/kg, naftos ir naftos produkt? – 42 000 kJ/kg, gamtini? duj? – 45 000 kJ/kg. . Vandenilio ?ilumingumas yra did?iausias – 120 000 kJ/kg.

?monijai reikia energijos, o jos poreikis kasmet did?ja. Tuo pa?iu metu tradicinio nat?ralaus kuro (naftos, anglies, duj? ir kt.) atsargos yra baigtin?s. Taip pat yra baigtin?s branduolinio kuro atsargos – urano ir torio, i? kuri? plutonio galima gauti selekciniuose reaktoriuose. Termobranduolinio kuro – vandenilio – atsargos prakti?kai nei?senkan?ios, o dabar, „atominiame“ am?iuje, mokslininkams pavyko suvaldyti atom? branduolin? irim? bei panaudoti ?io proceso metu i?siskirian?i? did?iul? energij?.

?ios reakcijos vadinamos termobranduolin?mis. Apie juos ateityje ir bus aptariama. Pats pavadinimas jau kalba pats u? save, nes ?odis „sintez?“ kil?s i? termoso, rei?kian?io temperat?r?. Taigi termobranduolin?s reakcijos yra reakcijos, vykstan?ios auk?toje temperat?roje, kai atom? kinetin? energija vaidina svarb? vaidmen?. Kaip bus parodyta toliau, termobranduolini? reakcij? metu i?siskirianti energija pasiekia mil?ini?kas vertes. Dabar patikimai ?inoma, kad termobranduolin?s reakcijos yra pagrindinis ?vaig?d?i? energijos ?altinis. B?tent juose gamta sukuria s?lygas, kuriomis vyksta ?ios reakcijos. Pagrindiniai termobranduolini? reakcij? pavyzd?iai: proton?-proton? grandin? (pp -ciklas) ir anglies-azoto ciklas G. Bethe (CNO – ciklas). pp cikle keturi protonai sudaro vien? helio branduol? (?iuo atveju du protonai turi virsti neutronais). Toks proton? sujungimas ? helio branduol? gali vykti ?vairiais b?dais, ta?iau rezultatas yra tas pats. Vienos reakcijos metu i?siskirianti energija:

;

?ia Dm yra keturi? proton? mas?s perteklius, vir?ijantis vieno helio branduolio mas?:

E \u003d (4 * 1,00727647 - 4,002603267) * 931,5016 \u003d 24,687 MeV vienam branduoliui.

?i energija yra gana ?sp?dinga vert?, turint omenyje, kad pp-grandin?s srauto intensyvumas ?vaig?d?se yra labai didelis.

CNO cikle anglies atomo branduolys, kurio mas?s skai?ius yra 12, yra katalizatorius, t.

C, skleid?iantis He branduol?.

SKYRIUS a? . ELEMENTIN?S DALEL?S IR ISTORIJA

?iek tiek ISTORIJOS

1926 m. Eddingtonas i?leido savo knyg? „?vaig?d?i? vidin? konstitucija“. ?ioje knygoje puikiai i?d?stytos to meto id?jos apie fizinius ?vaig?d?se vykusi? proces? pagrindus. Pats Eddingtonas svariai prisid?jo prie ?i? id?j? formavimo. Dar prie? j? i? principo buvo ai?ku, kaip veikia ?vaig?d?s. Ta?iau nebuvo tiksliai ?inoma, i? kur atsiranda energija, palaikanti ?vaig?d?i? spinduliavim?.

Jau tada buvo ai?ku, kad vandenilio turtinga ?vaig?d?i? med?iaga gali b?ti idealus energijos ?altinis. Mokslininkai ?inojo, kad vandenil? pavertus heliu i?siskiria tiek energijos, kad saul? ir kitos ?vaig?d?s gali ?viesti milijardus met?. Taigi buvo ai?ku, kad jei i?siai?kintume, kokiomis s?lygomis vyksta vandenilio atom? sintez?, b?t? rastas puikus ?vaig?d?i? energijos ?altinis. Ta?iau t? met? mokslas dar buvo labai toli nuo to, kad eksperimentin?mis s?lygomis vandenil? paverst? heliu.

To meto astrofizikai gal?jo tik patik?ti, kad ?vaig?d?s buvo mil?ini?ki branduoliniai reaktoriai. I? ties?, ne?manoma ?sivaizduoti jokio kito proceso, kuris gal?t? apr?pinti Saul? energija milijardus met?. Eddingtonas ?i? nuomon? i?rei?k? nuosekliausiai. Jis r?m?si daugybe ir pakartotinai kartojam? ?vaig?d?i? ?viesumo matavim?, kuriuos atliko astronomai-steb?tojai. Deja, to meto fizikai tik?jo, kad ?vaig?d?i? atom? branduoliai negali reaguoti vienas su kitu.

Jau tada Eddingtonas sugeb?jo apskai?iuoti, kokia temperat?ra tur?t? b?ti stebima Saul?s ?arnyne. Jo skai?iavimais, tur?t? b?ti apie 40 milijon? laipsni?. Tokia temperat?ra, i? pirmo ?vilgsnio, yra labai auk?ta, ta?iau branduolin?s energetikos mokslininkai man?, kad jos nepakanka branduolin?ms reakcijoms ?vykti. Esant tokiai temperat?rai, atomai vidiniuose saul?s regionuose vienas kito at?vilgiu juda ma?daug 1000 kilometr? per sekund? grei?iu. Esant tokiai auk?tai temperat?rai, vandenilio atomai jau praranda savo elektronus, protonai jau laisvai juda erdv?je. ?sivaizduokite, kad du protonai susiduria vienas su kitu ir d?l s?veikos vienas kit? atstumia. Esant 1000 kilometr? per sekund? grei?iui, protonai gali priart?ti iki labai ma?o atstumo, ta?iau veikiami elektrin?s atst?mimo j?gos, jie i?siskirs prie? susijungdami ? vien? branduol?. Skai?iavimai parod?, kad tik esant auk?tesnei nei 10 milijard? laipsni? temperat?rai dalel?s juda tokiu grei?iu, kad, nepaisant elektrinio atst?mimo j?g?, gali priart?ti viena prie kitos ir susilieti. Saul?, kurios temperat?ra siek? 40 milijon? laipsni?, fizikams atrod? per ?alta, kad jos gelm?se vandenilis virst? heliu. Ta?iau Eddingtonas buvo ?sitikin?s, kad tik branduolin? energija gali palaikyti ?vaig?d?i? spinduliavim?, ir jis buvo teisus.

ATOMO STRUKT?RA

Viskas, kas mus supa – uolienos ir mineralai, med?iagos atmosferoje ir j?rose, augal? ir gyv?n? l?stel?s, duj? ?kai ir ?vaig?d?s Visatoje visa savo ?vairove – visa tai susideda i? 92 elementari? plyt? – chemini? element?. Tai nustat? XIX am?iaus mokslas, kuris taip supaprastino aplinkinio pasaulio vaizd?. Kaip rodo eksperimentai, yra 3 pagrindiniai elementari?j? daleli? tipai, sudarantys atomus: elektronai, protonai ir neutronai.

Pavyzd?iui, vandenilio branduolys susideda i? protono, o aplink j? sukasi elektronas.

Protonas yra teigiamai ?krauta dalel?, kurios mas? yra

1,672*10 kg. Elektronas yra neigiamo kr?vio dalel?. Jo mas? trimis dyd?iais ma?esn? u? protono mas?, o elektrono kr?vis lygus protono kr?viui. Taigi visas atomas yra neutralus. Elektron? atome laiko Kulono s?veikos j?gos, tod?l j? laiko branduolys. Kitame elemente - heliu, ?erdis susideda kitaip, joje yra dar viena nauja dalel? (tiksliau, dvi) - neutronas . Neutronas yra dalel?, kuri neturi kr?vio (neutrali). Kaip i?siai?kinsime v?liau, branduolyje jis b?tinas proton? ry?iui branduolyje, nes protonai link? vienas kit? atstumti. Vis? helio branduol? vaizduoja du protonai ir du neutronai, o aplink branduol? sukasi du elektronai. Visi atomai ir branduoliai sudaryti i? tam tikro skai?iaus proton? ir neutron?. Kiek proton? yra branduolyje, tiek pat elektron? sukasi aplink branduol? elektron? apvalkaluose. Tod?l teigiam? branduolio proton? kr?v? tiksliai kompensuoja neigiamas elektron? kr?vis. Ties? sakant, reikalas yra dar paprastesnis. Tiksliau tariant, atomai susideda ne i? trij? tip? elementari?j? daleli?: proton?, neutron? ir elektron?, o tik i? dviej?. Atomo branduoliuose neutronas gali virsti protonu ir elektronu, pastar?j? i?spinduliuojant u? branduolio rib? (nes neutronui skilimo metu vir? protono ir elektrono esan?ios neutrono mas?s pertekliaus energija pereina ? kinetin? energij? ir yra paskirstytas tarp dviej? paskutini? daleli?). Paskutinis fizikos procesas vadinamas b-skilimu. Kadangi b-skilimo metu branduolyje proton? skai?ius padid?ja 1, taigi ir kr?vis, did?ja branduolio eil?s numeris ir jis tampa naujo elemento branduoliu. Beje, tokiu b?du buvo susintetinti daugelis paskutini? periodin?s lentel?s element?. Bet gr??kime prie savo neutrono. Jei ka?kaip eksperimento metu gaunamas laisvas neutronas, tada jis yra nestabilus ir po 17,3 minut?s suyra pagal auk??iau pateikt? taisykl?. Tod?l galime manyti, kad mus supantis pasaulis visa savo ?vairove yra pastatytas tik i? proton? ir elektron?. ?domu pasteb?ti, kad chemin? atomo savyb? lemia branduolio kr?v?. Tai vis? pirma paai?kinama tuo, kad atome esantys elektronai pagal branduolio kr?v? sudaro elektron? apvalkalus, o b?tent jie (apvalkalai) lemia cheminius ry?ius molekul?se. Tod?l branduoliai, turintys skirting? mas?s skai?i?, bet turintys t? pat? branduolio kr?v?, vadinami izotopais, nes jie turi tas pa?ias chemines, bet skirtingas fizines savybes. Taigi, pavyzd?iui, be ?prasto vandenilio, yra vadinamasis sunkusis vandenilis. ?io izotopo branduolyje, be vieno protono, yra ir vienas neutronas. ?is izotopas vadinamas deuteriu. Gamtoje jis randamas nedideliais kiekiais. Ta?iau tam tikros med?iagos izotop? skai?ius yra ribotas. Taip yra d?l to, kad protonai ir neutronai branduolyje sukuria savo savit? strukt?r?, t. y. esan?ius branduolyje) ir, jei kai kuri? (proton? ar neutron?) skai?ius yra didesnis u? kritin? reik?m?, tada branduolyje vyksta branduolin? reakcija. Sunkesni? element?, toki? kaip gele?is, branduolyje yra 26 protonai ir 30 neutron?. Kaip matote, neutron? yra daugiau nei proton?. Reikalas tas, kad 26 teigiamai ?krautos dalel?s d?l Kulono atst?mimo linkusios i?sisklaidyti skirtingomis kryptimis ir jas sulaiko vadinamosios branduolin?s j?gos. ?ias j?gas sukelia abipus?s nukleon? transformacijos branduolyje. Neutronas, esantis branduolyje, i?spinduliuoja nauj? dalel? – p-mezon? ir virsta protonu, o protonas pagauna ?i? dalel?, virsdamas neutronu. Taip ?vyksta vien? daleli? tarpusavio per?jimas ? kitas ir branduolys nesuyra. Lengvuosiuose branduoliuose atstumiamos j?gos n?ra labai stiprios ir kiekvienam protonui u?tenka vieno neutrono, o sunkesniuose elementuose stabiliam branduoliui reikalingas neutron? perteklius.
1.9. termobranduolin?s reakcijos.

Termobranduolin?s reakcijos saul?je ir ?vaig?d?se. Vandenilio ciklas. anglies ciklas. Nukleosintez?. Termobranduolinis sprogimas. Kontroliuojama termobranduolin? sintez?

termobranduolin?s reakcijos- lengv?j? atom? branduoli? sintez?s (sintez?s) reakcijos ? sunkesnius, vykstan?ios labai auk?toje temperat?roje (daugiau nei 10 8 ?). Termobranduolin?s reakcijos yra tankiai supakuot? branduoli? susidarymo i? laisvesni?, lengvesni? branduoli? procesas. Tai yra egzoenergetin?s reakcijos, kurios vyksta, kai reakcijos produktuose i?siskiria kinetin?s energijos perteklius, lygus bendros suri?imo energijos padid?jimui.

Visoms branduoli? sintez?s reakcijoms b?tina priartinti reaguojan?ius branduolius prie branduolini? j?g? veikimo spindulio atstumo. Nor?dami tai padaryti, b?tina ?veikti elektrostatin? Kulono branduoli? atst?mimo barjer?. 1.15 paveiksle parodytas potencialios energijos ir atstumo tarp branduoli? grafikas.

Ry?iai. 1.15. Potenciali tarpbranduolin?s s?veikos energija kaip atstumo tarp branduoli? funkcija. Br?k?nys rodo atst?mimo barjero „nukirpim?“ neigiamo miuono Boro spinduliu branduolio Kulono lauke

Norint ?veikti Kulono barjer?, susid?rusi? branduoli? energija yra ~ 0,1 MeV. Kulono barjero ?veikimo mechanizmai yra tokie:

1. Branduoli? bombardavimas deuterono spinduliu yra neperspektyvus. Deuteron? energija bus skirta jonizacijai ir elektron? su?adinimui tiksliniuose atomuose. Efektyvusis skerspj?vis deuteron? s?veikai su elektronais s e ~ 10 -16 cm 2 ir su branduoliais s i ~ 10 -24 cm 2 s e >> s i.

2. Miuon? kataliz? (teori?kai ?manoma, eksperimenti?kai nerealizuota). Branduolio Kulono lauk? Boro orbitoje gali apsaugoti miuonas ("sunkusis elektronas", kurio gyvavimo trukm? yra 2,2 x 10 -6 sek.). Atomo dydis suma??ja 212 kart?, nes . Susidaro mezomolekuliniai jonai. D.H. m . Galima reakcija

3. Potencialaus Kulono barjero i?orin?s pla?iosios dalies „suglam?ymas“ parodytas i?bridimu (1.15 pav.). J? atlieka gravitacin? j?ga, kuri sukuria mil?ini?k? sl?g?, kai plazmos tankis yra >> 10 4 g/cm 3 ?vaig?d?se.

4. Kai med?iaga kaitinama iki branduoli? temperat?ros T R ~ 10 9 K, (1 eV atitinka 11 000 K, 0,1 MeV = 10 5 eV ~ 10 9 K). Med?iaga tokioje temperat?roje sudaro auk?tos temperat?ros plazm?. Mechanizmas realizuojamas ant?emin?mis s?lygomis.

Termobranduolini? reakcij? pavyzd?iai:

1. Vandenilio izotop? deuterono ir tritono sintez?s reakcija, susidarant helio branduoliui ir neutronui:

Reakcijos skerspj?vis s ma x = 5 barn. Kritusio deuterono energija T d= 0,1 MeV. Energijos i?siskyrimas vienam nukleonui termobranduolin?s sintez?s reakcijoje (MeV/nukleonas) vir?ija energijos i?siskyrim? 1 nukleonui vykstant urano-235 branduolio dalijimosi reakcijai. q atvej?= 200/235 = 0,85 MeV/nukleonas) 4 kartus.

2. Dviej? deuteron? susiliejimo reakcija:

1-asis i??jimo kanalas: reakcijos skerspj?vis s ma x = 0,09 tvartas, T d = 1 MeV.

2 i??jimo kanalas: reakcijos skerspj?vis s ma x = 0,16 tvarto, T d = 2 MeV.

Skerspj?viai termobranduolin?ms reakcijoms esant ?emai energijai ( E
,

kur BET ir AT nuolatinis.

Termobranduolin?s reakcijos greitis

Termobranduolin?s reakcijos atsiranda d?l suporuot? branduoli? susid?rim?. Susid?rim? skai?ius t?rio vienetui per laiko vienet? yra

N 12 = n 1 n 2 v s (v)> ,
termobranduolinis sprogimas

Dirbtin? termobranduolin? reakcija ant?emin?mis s?lygomis nekontroliuojamu re?imu realizuojama termobranduoliniame (vandenilio) ?renginyje, kur plutonio arba urano detonatoriaus sprogimo metu susidaro > 10 7 K temperat?ra. Deuterio med?iaga yra li?io hidridas. I?sipl?timo laikas yra mikrosekund?s. Tik?tinos reakcijos schema

MeV, (1,94)

MeB. (1,97)
Reakcijos neutronai (1,97) atsiranda d?l branduolio dalijimosi. Pagrindin? energija i?siskiria reakcijose (1,96) ir (1,97), kurios sudaro cikl?, viena kit? palaikydamos ir neutron? bei tri?io branduoli? skai?i? nepakitusios. Reakcijos (1.94) ir (1.95) yra pradinis neutron? ir tri?io branduoli? ?altinis. Reakcijos greitis (1,94) ir (1,95) yra 100 kart? ma?esnis u? reakcij? (1,96) ir (1,97) greit?.
Kontroliuojama termobranduolin? sintez? (CNF)

Kontroliuojama termobranduolin? sintez?- lengv?j? atom? branduoli? sintez?s procesas, vykstantis i?leid?iant energij? auk?toje temperat?roje kontroliuojamomis s?lygomis. TCB dar ne?diegtas (2010 m.).

Susiliejimo reakcijai reikia suartinti branduolius ~10–11 cm atstumu, po to d?l tunelinio efekto prasideda branduoli? susiliejimas. Protonams reikia 10 keV energijos, kuri atitinka T = 10 8 K.

Visas darbas su CTS yra pagr?stas reakcijos ?gyvendinimu

Tri?io dauginimas gali b?ti atliekamas apjuosiant darbo viet? li?io sluoksniu ir naudojant reakcij?.

Tegu t vidutin? daleli? sulaikymo aktyviojoje zonoje trukm?, n – daleli? (branduoli?) koncentracija. Tegul branduolin?s reakcijos energijos konversijos ? elektros energij? koeficientas. plazmos elektromagnetinio spinduliavimo energija ir plazmos daleli? ?ilumin? energija yra vienoda ir lygi . Stacionariai veikiant sistemai esant nulinei naudingajai galiai, energijos balanso lygtis termobranduoliniame reaktoriuje yra tokia, kad kaitinama labai ma?i termobranduolin?s med?iagos kiekiai.

Darbas su CTS t?siamas kuriant termobranduolinius reaktorius tokamakas(toroidin? kamera su deuterio-tri?io plazma ir toroidiniu magnetiniu lauku) ir stelaratorius(toroidin? sistema su deuterio-tri?io plazma ir i?orini? apvij? sukuriamu magnetiniu lauku).

Tarptautinio termobranduolinio reaktoriaus – ITER eksperimentinio tokamako reaktoriaus schema parodyta 1.17 pav. Jo parametrai: didelis plazmos spindulys 8,1 m, ma?as plazmos spindulys 3 m, toroidinis magnetinis laukas a?yje 5,7 T, vardin? plazmos srov? 21 MA, nominali termobranduolin? galia su deuterio-tri?io kuru 1500 MW. Reaktoriuje yra ?ie pagrindiniai komponentai: solenoidas 1, indukuotas arba elektrinis laukas atlieka duj? skaidym? ir ?ildo plazm?, pirmoji sienel? 9 yra nukreipta ? auk?tos temperat?ros plazm? ir suvokia ?ilumos sraut? spinduliuot?s ir daleli? pavidalu, antklod? 2 yra skydas, kuriame atkuriamas plazmoje sudegintas tritis, NB 3 Sn superlaidininko rit?s 8 sukuria toroidin? magnetin? lauk?. Divertorius 10 skirtas pa?alinti ?ilum? i? plazmos ?kraut? daleli? srauto pavidalu ir i?pumpuoti helio ir protiumo (vandenilio) reakcijos produktus. Vakuumin? kamera 4 ir siurbimo priemon?s 5 sukuria didel? vakuum? reaktoriaus darbo kameroje, kurioje susidaro plazma. Statybos numatyta Pranc?zijoje (2010 m.). Projekto dalyviai: Rusija, JAV, Euroatomas, Japonija. Kaina yra apie 2 milijardus doleri?.

1.17 pav. ITER tarptautinis termobranduolinio reaktoriaus projektas

Teka labai auk?toje temperat?roje (vir? 108 K). Tokiu atveju susidaro didelis energijos kiekis neutron?, turin?i? auk?t? energijos indeks?, ir foton? – ?viesos daleli? pavidalu.

Taigi, norint ?veikti elektrostatin? barjer?, reikia didel?s susid?rusi? branduoli? energijos. ?is barjeras atsiranda d?l abipusio branduoli? (kaip pana?iai ?kraut? daleli?) atst?mimo. Prie?ingu atveju jie negal?t? priart?ti prie atstumo, pakankamo branduolini? j?g? veikimui (o tai yra apie 10-12 cm).

Termobranduolin? reakcija – tai branduoli?, kurie yra stipriai tarpusavyje susij? su laisvesniais, susidarymo procesas. Beveik visos tokios reakcijos yra lengvesni? branduoli? susiliejimo reakcijos (sintez?) ? sunkiuosius.

B?tinas norint ?veikti abipus? atst?mim?, tur?t? padid?ti did?jant branduolio kr?viui. Tod?l lengviausias b?das yra ma?o elektros kr?vio ?viesos branduoli? sintez?.

Gamtoje termobranduolin? reakcija gali vykti tik ?vaig?d?i? viduje. Norint j? ?gyvendinti ant?emin?mis s?lygomis, med?iag? reikia ?ildyti vienu i? galim? b?d?:

• branduolinis sprogimas;
• bombardavimas intensyviu daleli? pluo?tu;
• galingas lazerio spinduliuot?s arba duj? i?lyd?io impulsas.

Termobranduolin? reakcija, vykstanti ?vaig?d?i? gelm?se, vaidina svarb? vaidmen? Visatos evoliucijoje. Pirma, b?sim? chemini? element? branduoliai susidaro i? vandenilio ?vaig?d?se, antra, tai yra ?vaig?d?i? energijos ?altinis.

Termobranduolin?s reakcijos saul?je

Saul?je proton?-proton? ciklo reakcijos veikia kaip pagrindinis energijos ?altinis, kai i? keturi? proton? gimsta vienas helio branduolys. Energij?, kuri i?siskiria sintez?s proceso metu, nune?a besiformuojantys branduoliai, neutronai, neutrinai ir elektromagnetin?s spinduliuot?s kvantai. Tyrin?dami i? Saul?s sklindan?i? neutrin? sraut?, mokslininkai gali nustatyti jos centre vykstan?i? branduolini? reakcij? pob?d? ir intensyvum?.

Vidutinis saul?s energijos i?siskyrimo intensyvumas ?emi?kais standartais yra nereik?mingas - tik 2 erg / s * g (1 gramui saul?s mas?s). ?i vert? yra daug ma?esn? u? elektroliz?s greit? gyvame organizme standartinio metabolizmo procese. Ir tik d?l did?iul?s Saul?s mas?s (2 * 1033 g) bendra jos skleid?iama galia yra tokia mil?ini?ka kaip 4 * 1028 W.

D?l did?iulio Saul?s ir kit? ?vaig?d?i? dyd?io bei mas?s plazmos u?darymo ir ?ilum? izoliuojan?ios problemos jose i?spr?stos idealiai: reakcijos vyksta kar?toje ?erdyje, o ?ilumos perdavimas – nuo ?altesnio pavir?iaus. Tai vienintel? prie?astis, kod?l ?vaig?d?s gali taip efektyviai gaminti energij? tokiuose l?tuose procesuose kaip proton? ir proton? ciklas. Ant?emin?mis s?lygomis tokios reakcijos prakti?kai ne?gyvendinamos.

Termobranduolin? energija yra ateities pagrindas

M?s? planetoje prasminga taikyti ir naudoti tik efektyviausias termobranduolines reakcijas - pirmiausia helio sintez? i? leuterio ir tri?io branduoli?. Tokios palyginti didelio masto reakcijos kol kas ?manomos tik bandomuosiuose vandenilini? bomb? sprogdinimuose. Nepaisant to, nuolat vykdomi nauji poky?iai, siekiant efektyviai gauti taiki? elektros energij?. Tradicin?je branduolin?je energetikoje naudojama skilimo reakcija, o sintez? dalyvauja termobranduolin?je energetikoje. Tuo pa?iu metu termobranduolin? reakcija turi daug neabejotin? prana?um?, palyginti su branduolinio skilimo reakcija.

1. Termobranduolin?se reakcijose galima i?vengti radioaktyviosios spinduliuot?s i?siskyrimo, nes energijos produktas ?iuo atveju yra „grynoji“ ?viesos energija.

2. Pagal gaunamos energijos kiek? termobranduoliniai procesai gerokai lenkia tradicines atomines reakcijas, kurios naudojamos ?iuolaikiniuose reaktoriuose.

3. Branduolio skilimo reakcijai palaikyti b?tina nuolatin? neutron? srauto kontrol?, antraip gali kilti nekontroliuojama grandinin? reakcija, pavojinga ?monijai. Sintez?s energijai generuoti naudojama auk?ta temperat?ra, o ne neutron? srautas, tod?l tokia rizika i?nyksta.

4. Termobranduolin?ms reakcijoms skirtas kuras yra nekenksmingas, prie?ingai nei reaktori? skilimo produktai.

Ne taip seniai amerikie?i? mokslininkams pavyko sukurti veikiant? termobranduolin?s reakcijos model?, kuriame energijos gr??a yra ?imt? kart? didesn? u? energijos s?naudas. Tai yra geras pasi?lymas tolesniam s?kmingam termobranduolin?s energijos „prisijaukinimo“.