» » » » » » Fuziunea nucleară

Fuziunea nucleară

Curba energiei de legãturã nucleară (Curba energiei de legãturã nucleară. Formarea nucleelor ​​cu masele până la Fier-56 eliberează energia, în timp ce formarea celor mai grele necesită energie de intrare. Aceasta deoarece nucleele de sub Fier-56 au energii de legãturã ridicate, în timp ce cele mai grele au energii de legãturã inferioare, așa cum este ilustrat mai sus.)

În fizica nucleară, fuziunea nucleară este o reacție în care două sau mai multe nuclee atomice vin suficient de aproape pentru a forma unul sau mai multe nuclee atomice diferite și particule subatomice (neutroni sau protoni). Diferența de masă dintre reactanți și produse se manifestă prin eliberarea unor cantități mari de energie. Această diferență de masă apare datorită diferenței de „energie de legătură” atomică dintre nucleele atomice înainte și după reacție. Fuziunea este procesul care acționează în stelele din ”secvența principalã” sau active, sau în alte stele de dimensiuni mari.

Un proces de fuziune care produce un nucleu mai ușor decât fier-56 sau nichel-62 va elibera, în general, o energie netă. Aceste elemente au cea mai mică masă pe nucleon și cea mai mare energie de legare pe nucleon, respectiv. Fuziunea elementelor ușoare spre acestee eliberează energii (un proces exotermic), în timp ce fuziunea care produce nuclee mai grele decât aceste elemente va avea ca rezultat energia reținută de nucleonii care rezultă și reacția rezultată este endotermă. Opusul este valabil pentru procesul invers, fisiunea nucleară. Aceasta înseamnă că elementele mai ușoare, cum ar fi hidrogenul și heliul, sunt în general mai fuzibile; în timp ce elementele mai grele, cum ar fi uraniul și plutoniul, sunt mai fisionabile. Evenimentul extrem astrofizic al unei supernove poate produce suficientă energie pentru a uni nucleele în elemente mai grele decât fierul.

În 1920, Arthur Eddington a sugerat că fuziunea hidrogen-heliu ar putea fi sursa primară de energie stelară. Tunelul cuantic a fost descoperit de Friedrich Hund în 1929 și, la scurt timp după aceea, Robert Atkinson și Fritz Houtermans au folosit masele măsurate de elemente ușoare pentru a arăta că cantități mari de energie ar putea fi eliberate prin fuziunea nucleelor ​​mici. Bazându-se pe experimentele timpurii în transmutarea nucleară de către Ernest Rutherford, fuziunea de laborator a izotopilor de hidrogen a fost realizată de Mark Oliphant în 1932. În restul decadei, teoria ciclului principal de fuziune nucleară în stele a fost elaborată de Hans Bethe. Cercetarea fuziunii în scopuri militare a fost inițiată la începutul anilor 1940 ca parte a Proiectului Manhattan. Fuziunea a fost realizată în 1951 cu testul nuclear Greenhouse Item. Fuziunea nucleară la scară largă într-o explozie a fost efectuată pentru prima oară pe 1 noiembrie 1952, în testul Ivy Mike cu bombă cu hidrogen.

Cercetările privind dezvoltarea fuziunii termonucleare controlate în scopuri civile au început cu seriozitate în anii 1950 și continuă până în prezent.

Procesul

Fuziunea deuteriului cu tritiu(Fuziunea deuteriului cu tritiu care creează heliu-4, eliberează un neutron și eliberează 17,59 MeV ca energie cinetică a produselor, în timp ce o cantitate corespunzătoare de masă dispare, în acord cu cinetica E = Δmc2, unde Δm este micșorarea masei totale de repaus a particulelor.)

Eliberarea energiei prin fuziunea elementelor ușoare se datorează interacțiunii a două forțe opuse: forța nucleară, care combină împreună protoni și neutroni, și forța coulombiană, care determină respingerea protonilor. Protonii sunt încărcați pozitiv și se resping reciproc de forța Coulomb, dar pot totuși să stea împreună, demonstrând existența unei alte forțe cu rază scurtă de acțiune denumită atracție nucleară. Nucleele ușoare (sau nucleele mai mici decât fierul și nichelul) sunt suficient de mici și cu protoni săraci permitând forței nucleare să depășească repulsia. Acest lucru se datorează faptului că nucleul este suficient de mic pentru ca toți nucleonii să simtă forța atractivă la distanțe scurte cel puțin la fel de puternic cum simt repulsia Coulomb infinită. Construirea nucleelor ​​din nucleele mai ușoare prin fuziune eliberează energia suplimentară din atracția netă a particulelor. Pentru nucleele mai mari, cu toate acestea, nu se eliberează nicio energie, deoarece forța nucleară este de scurtă durată și nu poate continua să acționeze pe scări mai mari de lungimea atomică. Astfel, energia nu este eliberată prin fuziunea unor astfel de nuclee; în schimb, energia este necesară ca input pentru astfel de procese.

Fuziunea acționează în stele și produce aproape toate elementele într-un proces numit nucleosinteză. Soarele este o stea de secvență principală și, ca atare, își generează energia prin fuziunea nucleară a nucleelor ​​de hidrogen în heliu. În centrul său, Soarele se conectează la 620 de milioane de tone metrice de hidrogen și face 606 de milioane de tone metrice de heliu în fiecare secundă. Fuziunea elementelor mai ușoare în stele eliberează energia și masa care o însoțește întotdeauna. De exemplu, în fuziunea a două nuclee de hidrogen pentru a forma heliu, 0,7% din masă este transformată sub forma energiei cinetice a unei particule alfa sau a altor forme de energie, cum ar fi radiația electromagnetică.

Este nevoie de o energie considerabilă pentru a forța nucleele să fuzioneze, chiar și cele de cel mai ușor element, hidrogenul. Când se accelerează la viteze destul de ridicate, nucleele pot depăși această repulsie electrostatică și ajung destul de aproape încât forța nucleară atractivă este mai mare decât forța Coulomb respingătoare. Forța puternică crește rapid odată ce nucleele sunt destul de apropiate, iar nucleonii fuzionați pot în mod esențial „să cadă” unul în celălalt și rezultatul este fuziunea și energia netă produsă. Fuziunea nucleelor ​​mai ușoare, care creează un nucleu mai greu și adesea un neutron sau proton liber, eliberează, în general, mai multă energie decât este nevoie pentru a forța nucleele să rămână împreună; acesta este un proces exotermic care poate produce reacții auto-susținute.

Energia eliberată în majoritatea reacțiilor nucleare este mult mai mare decât reacțiile chimice, deoarece energia de legare care ține un nucleu împreună este mai mare decât energia care ține electronii aproape de nucleu. De exemplu, energia de ionizare dobândită prin adăugarea unui electron la un nucleu de hidrogen este de 13,6 eV, mai mică de o milionime din 17,6 MeV eliberată în reacția deuteriu-tritiu (D-T) prezentată în diagrama adiacentă. Convertirea completă a unui gram de materie ar elibera 9×1013 jouli de energie. Reacțiile de fuziune au o densitate a energiei de multe ori mai mare decât fisiunea nucleară; reacțiile produc energie mult mai mare pe unitate de masă, chiar dacă reacțiile individuale de fisiune sunt, în general, mult mai energice decât cele de fuziune individuale, care sunt ele înselede  milioane de ori mai energice decât reacțiile chimice. Numai conversia directă a masei în energie, cum ar fi cea cauzată de coliziunea annihilantă a materiei și a antimateriei, este mai energetică pe unitatea de masă decât fuziunea nucleară.

Cercetarea utilizării fuziunii pentru producția de energie electrică a fost continuată de peste 60 de ani. Realizarea reușită a fuziunii controlate a fost împiedicată de dificultăți științifice și tehnologice; cu toate acestea, s-au înregistrat progrese importante. În prezent, reacțiile de fuziune controlate nu au reușit să producă fuziune controlată (auto-susținută). Cele două abordări cele mai avansate sunt limitarea magnetică (design toroid) și limitarea inerțială (design laser).

Design-urile funcționale pentru un reactor toroidal care teoretic va livra de zece ori mai multă energie de fuziune decât cantitatea necesară pentru a încaălzi plasma la temperaturile necesare sunt în dezvoltare. Se preconizează că instalația ITER va termina faza de construcție în 2019. Va începe punerea în funcțiune a reactorului în același an și va iniția experimente plasmatice în 2020, dar nu este de așteptat să înceapă fuziunea completă de deuteriu-tritiu până în 2027.

National Ignition Facility din SUA, care folosește fuziunea limitată inerțial cu laser a fost proiectat cu scopul de fuziune parțială; primele experimente la scară largă cu laser au fost efectuate în iunie 2009, iar experimentele de aprindere au început în prima parte a anului 2011.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *