Treści multimedialne - kodowanie, przetwarzanie, prezentacja Odtwarzanie treści multimedialnych Andrzej Majkowski 1 informatyka +

SYNTEZA TERMOJĄDROWA Liceum Ogólnokształcące im. Gen. Mariusza Zaruskiego w Węgorzewie Waldemar Czapski Krzysztof Sauter informatyka + 2

Układ treści zajęć 1.Synteza jąder atomowych. 2.Sztuczne metody przeprowadzania syntezy termojądrowej. 3.Wykorzystanie syntezy termojądrowej. 3

Syntezą jąder atomowych nazywamy łączenie się jąder pierwiastków lżejszych w jądra pierwiastków cięższych. Warunkiem zajścia syntezy jądrowej jest zbliżenie jąder na odległość mniejszą od 2 fm (przy tej odległości zaczynają działać siły jądrowe). Zbliżenie jąder na odległość krytyczną wymaga pokonania potężnych sił odpychania elektrostatycznego pomiędzy dodatnio naładowanymi nuklidami. Odpychanie elektrostatyczne pokonuje się poprzez nadanie jądrom atomowym dużych energii kinetycznych (co z kolei odpowiada wysokiej temperaturze jąder rzędu setek milionów kelwinów). Z tego powodu syntezę jądrową nazywa się syntezą termojądrową. W tak wysokiej temperaturze materia występuje w formie całkowicie zjonizowanej (jest to tak zwana gorąca plazma). Podczas syntezy termojądrowej pierwiastków lekkich wydzielają się ogromne ilości energii. Jest to energia wiązania powstająca w wyniku zamiany części masy nukleonów wchodzących w skład jąder na inne formy energii. informatyka Synteza jąder atomowych.

informatyka + 5 Synteza jąder atomowych – cd. Energia powstająca podczas syntezy termojądrowej wydziela się w postaci energii kinetycznej produktów syntezy (energia cieplna) oraz w postaci promieniowania elektromagnetycznego z całego zakresu widma. Przykładowe reakcje syntezy jądrowej

a) Metoda akceleratorowa – strumień jąder pierwiastków lekkich przyspiesza się w synchrotronach do dużych wartości prędkości, a następnie doprowadza do zderzenia ze strumieniem rozpędzonym w przeciwną stronę lub z jądrami spoczywającymi. Wynikiem takich zderzeń jest zbliżenie jąder na odległość krytyczną i zajście syntezy termojądrowej. Wadą tej metody jest trudność utrzymania produktów syntezy z dala od ścianek urządzenia (produkty mają wysoką temperaturę rzędu 350mln 0K). b) Metoda laserowa – próbka zawierająca deuter lub tryt poddawana jest działaniu przeciwnych wiązek laserów impulsowych o dużej mocy. Dzięki dużej gęstości energii w wiązkach laserowych dochodzi do ściskania i rozgrzewania próbki. Wynikiem jest synteza termojądrowa. Wadą tej metody jest krótkotrwałość działania wiązek laserowych. Przy krótkim czasie reakcji tylko niewielka część próbki ulegnie syntezie. c) Metoda, w której pierwiastki lekkie podgrzewa się za pomocą wybuchu bomby atomowej o małej mocy. Podczas wybuchu takiej bomby w epicentrum wytwarza się temperatura przekraczająca temperatury wnętrza gwiazd. Wystarczy to do zajścia syntezy termojądrowej pierwiastka lekkiego i wydzielenia energii przekraczającej tysiące razy energię wydzieloną na skutek wybuchu bomby atomowej. Wadą tej metody jest niemożność kontrolowania reakcji. Energia wydziela się na drodze wybuchowej. Metoda ta została zastosowana w bombach i głowicach termojądrowych Sztuczne metody syntezy termojądrowej

7 Sztuczne metody syntezy termojądrowej - cd d) Metoda TOKAMAK-owa – w toroidalnej komorze próżniowej umieszczonej w potężnym elektromagnesie nadprzewodzącym, rozpędza się zjonizowany deuter lub tryt. Plazma znajduje się w silnym stałym, prostopadłym polu magnetycznym i jest podgrzewana za pomocą szybkozmiennych pól magnetycznych (zmienne pole magnetyczne wywołuje powstanie w plazmie silnych prądów indukcyjnych, co z kolei powoduje silne ogrzewanie plazmy). Stałe i prostopadłe pole magnetyczne powoduje, że plazma, na skutek działania siły Lorentza, porusza się wewnątrz toroidu. Dodatkowym skutkiem ruchu plazmy jest jej samokompresja (strumień jąder ulega samoistnemu ściskaniu na skutek wystąpienia sił elektrodynamicznych takich samych jak w przypadku przewodników, w których prąd płynie w tę samą stronę). Dzięki samokompresji plazma utrzymuje się z dala od ścianek toroidu. Wadą tej metody jest do końca nieprzewidywalne zachowanie się gorącej plazmy przed i po reakcji termojądrowej. Pomimo trudności metoda TOKAMAK-owa przynosi najlepsze efekty.

Sztuczne metody syntezy termojądrowej - cd Schemat TOKAMAKA toroid zawierający plazmę siły ściskające plazmę prądy jonowe Plazma w toroidzie

9 3. Wykorzystanie syntezy termojądrowej. a) W naturze synteza termojądrowa jest podstawą wytwarzania energii we wnętrzach gwiazd. Przykładem może być synteza wodoru w hel zachodząca wewnątrz Słońca. Synteza ta zachodzi według tak zwanego cyklu protonowo-protonowego: b) Sztuczne wytwarzanie energii termojądrowej na dużą skalę jest obecnie możliwe, ale tylko w sposób niekontrolowany. Kontrolowana synteza termojądrowa w przyszłości będzie podstawowym źródłem taniej energii. Paliwem termojądrowym może być wodór, którego zasoby są praktycznie nieograniczone. Podczas wytwarzania energii termojądrowej metodą kontrolowaną nie powstają żadne odpady mogące zanieczyścić środowisko naturalne.

Wykorzystanie syntezy termojądrowej – cd. Wnętrze tokamaka TCV, znajdującego się w EPFL w SzwajcariiEPFLSzwajcarii

Wykorzystanie syntezy termojądrowej – cd. Kalifornijscy naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory w lutym 2014 r. powiadomili o znaczącym przełomie w badaniach nad reakcją fuzji termonuklearnej inicjowanej za pomocą potężnego zespołu laserów. Omar Hurricane, jeden z naukowców pracujących w amerykańskim laboratorium Lawrence Livermore poinformował, że po raz pierwszy od rozpoczęcia w tamtejszej placówce badań nad fuzją jądrową, udało się Amerykanom wyprodukować znaczącą ilość energii poprzez laserowy, termonuklearny zapłon wodorowego paliwa. "Otrzymaliśmy więcej energii w wyniku fuzji paliwa nuklearnego, aniżeli zużyliśmy w procesie zainicjowania tej reakcji" powiedział Hurricane. Niewielka (o szerokości ołówka) kapsułka wodorowego paliwa. Gigantyczny zespół potężnych laserów skupia wiązkę energii właśnie w tym punkcie, w wyniku czego wyzwalana jest energia fuzji nuklearnej. Zatem mamy rewolucję w energetyce nuklearnej? Niestety, nie do końca. O ile faktycznie proces fuzji zainicjowany przez NIF (National Ignition Facility - zbudowany za kwotę przekraczającą 3 miliardy dolarów zespół 192 laserów zdolnych do skupienia 500 bilionów watów energii przez ułamek sekundy w jednym punkcie) wyzwolił więcej energii niż ilość, która dotarła do nuklearnego paliwa, to trzeba pamiętać o tym, że zaledwie 1 procent energii wejściowej trafia ostatecznie w cel. Użyteczne poziomy energii pochodzącej z fuzji nuklearnej są wciąż poza zasięgiem, choć niewątpliwie za sukces należy uznać to, iż udało się wyzwolić więcej energii niż ów 1% trafiający w wodorową kulkę. Do urzeczywistnienia marzeń naukowców jeszcze daleka droga, ale kolejny znaczący krok w stronę ich spełnienia właśnie został zrobiony. Źródło pclab.pl