Fuzija atomskih jezgara

FuzijaFuzija atomskihatomskih jezgarajezgara

LaboratorijLaboratorij

zaza

tetešškoionskukoionsku

fizikufiziku Zavod za eksperimentalnu fizikuZavod za eksperimentalnu fiziku

Institut Institut ““RRuđeruđer

BoBošškovikovićć””, Zagreb, Zagreb

Zoran

Basrak

Znanstveni sastanak Hrvatskog fizikalnog društvaPrimošten, 5. – 8. listopada 2007.

Fuzija oko nasOtvorena pitanja nuklearne fuzijeSuperteški elementiIsčezavanje procesa fuzije

Pregled predavanja

Kemijski elemenati

u SvemiruVeliki prasak

Hadronizacija (10-3 s)protoni & neutroniPrimordijalna nukleo-sinteza (< 3 min)- deuteroni- He-3 i osobito He-4- Li-6 te Li-7

nema slobodnih neutr.nikakve teže jezgre

barionska tvar:

~4 %tamna tvar: ~23 %tamna energija: ~73 %

Kemijski elemenati

na ZemljiSastav

gornje

kore

kontinenata

O 46,6 %

Si

27,7 %Al 8,1 %Fe

5,0 %

Ca 3,6 %Na 2,8 %K 2,6 %Mg 2,1 %

-----------------98,5 %

Kemijski elemenati

na Zemlji

Fe

32,1

%O 30,1

%

Si

15,1 %Mg 13,9

%

S 2,9

%Ni

1,8 %

Ca

1,5

%Al

1,4

%

-----------------98,8

%

Jezgra Zemlje: 89 % Fe, 6 % Ni, 4 % S, 1% svi ostaliMora i oceani: 86

% O, 11 % H, 2 %

Cl, 1% Na

Atmosfera: 78 % N, 21 % O, 1 % Ar

Kemijski elemenati

Svemir -

Zemlja

Koko dolazi do nukleosinteze

?

Odgovor je:

NUKLEARNNUKLEARNAA FUZIJFUZIJAA u zvijezdama prethodne generacije

Otkud tolika razlika u sastavu ?

Iz oblaka vodika protozvijezde i galaksije(106 - 109 a)

Prva generacija zvijezda (109 a)Gravitaciono sabijanje omogućilo fuziju“Sagorjevanje vodika” (fuzija He)p-p lanac, CNO lanac, NeNaMg lanac, ...

Kemijski elemenati

-

nukleosintezaVeliki prasak

p-p lanac

–

temeljni processlabo ovisi o temperaturi (Sunce 15 MK)osnovni izvor energije (~25 MeV/ciklusu)

Iz oblaka vodika protozvijezde i galaksije(106 - 109 a)

Prva generacija zvijezda (109 a)Gravitaciono sabijanje omogučilo fuziju“Sagorjevanje vodika” (fuzija He)p-p lanac, CNO lanac, NeNaMg lanac, ...

“Sagorjevanje helija” (fuzija C, O, Ne, ...)Crveni divovi i supernove (fuzija do Fe), azahvatom neutrona (s i r procesi) do U, ...

Kemijski elemenati

-

nukleosintezaVeliki prasak

Kemijski elemenati

-

nukleosintezaDo i preko željeza

Zvijezda crveni div –

pred urušavanje

Nuklearna

fuzija

nuklearna reakcijastapanje jezgaranastaje jedindstvena složena jezgraadijabatska transformacija jednocentarskeu dvocentarsku potencijalnu jamusvi stupnjevi slobode su uravnoteženi potrebna minimalna energija (E>ECoul)

Nuklearna

fuzija

-

teorijaH.A. Bethe, teorija složene jezgre (1940.)C.Y. Wong, teorija nuklearne fuzije (1973.)

kvantnomehanički problem nabijene čestice na potencijalu s barijerom

modeliranje visine i oblika barijere BCoul + Bl(l+1) detalji tuneliranje

Oblik (deformacija) jezgre

Nuklearna

fuzija

danas

Preciznija mjerenja oko i ispod barijereSinteza superteških kemijskih elemenata

Nove eksperimentalne tehnike

Teorijski izazoviUjednačen opis fuzije iznad i ispod barijereEkstrapolacija na astrofizičke energijeNovi putevi sinteze superteških jezgaraRazlozi isčezavanja fuzije

SOLITAIRE

PRISMA

M. R

odrig

uez

–M

. Das

gupt

a,

Fusi

on 2

006,

Ven

ecija

, 200

6

C.L

. Jia

nget

al.,

PR

L 93

(200

4) 0

1270

1

Nove eksperimentalne tehnike

Nuklearna

fuzija

–

otvorena pitanja

Oblik i visina barijere- pobuđenje niskoležećih stanja- uloga slabovezanih nukleona- uloga izospina- utjecaj drugih reakcijskih mehanizama

mjerenja duboko ispod barijere - tuneliranje izuzetno osjetljivo na detalje

potencijalne barijere

zaprečavanje ili pojačanje fuzije

Oblik potencijalne barijere

Druga derivacija ovisnosti udarnog presjeka o energiji sudara daje

uvid

u

svojstva

potencijalne

barijere.

J. L

eigh

et a

l., P

hys.

Rev

. C52

(199

5) 3

151

krivulja pobuđenja

za fuziju

derivacija krivulje

pobuđenja

sloslosložžžena struktura ena struktura ena struktura barijerebarijerebarijere

V(r

)radius

Vezanje kanalau terminologiji nuklearnih reakcija svakakvantnomehanička realizacija sustava senaziva kanal (nuklearne reakcije)prilikom sudara jezgara mogu se pobuditiniskoležeća (“kolektivna”) stanja jezgarateorija uvažava ta pobuđenja vezanjemkanalapobuđenje vibracio-nih stanja zovemofononi

A.M

. Ste

fani

niet

al.,

Phy

s. R

ev. L

ett.

74(1

995)

864

Suradnja Zagreb –

LNL, Legnaro

(Padova)

Izospinski

efekti

A.M

. Ste

fani

niet

al.,

Phy

s. R

ev. C

73 (2

006)

034

606

Vezanje niskoležećih kolektivnih vibracionih

stanja ne daje dobro poravnanje podataka! Moguće objašnjenje je doprinos transfera više nukleona.

Sve

kombinacije jezgara40,48Ca i 90,96Zr: Z1

Z2

= const.

Ekstrapolacija u astrofizičko područjeMjerenja duboko ispod barijere snažno pojačavaju osjetljivost na fine detalje potencijalne barijere

Područje temperatura od važnosti za astrofizičke primjene: T9

~ 0,1 –

4 MeV

S faktor: S(E) = σE exp(2πη)Logaritamska derivacija: L(E) = d[ln(σE)] / dE

C.L

. Jia

nget

al.,

Phy

s. R

ev. L

ett.

93 (2

004)

012

701

Osnovne specifičnosti -

dugi “rep”

poteniijala

-

uloga kanala “loma” (breakup)

Fuzija slabo vezanih jezgara

D.J

. Hin

deet

al.,

Phy

s. R

ev. L

ett.

89 (2

002)

272

701

Primjer berilija-9

Dublji uvid u ulogu različitih reakcijskihkanala - zaprečavanje ili pojačanje fuzije

Potpunija mjerenja duboko ispod barijere - tuneliranje izuzetno osjetljivo na detalje potencijalne barijere

standardni nuklearni potencijal ne opisujeistodobno podatke iznad i ispod barijere:

potreban radikalno novi teorijski pristup (npr. dinamički)

Vruća pitanja fuzije na i ispod barijere

Kemijski elementi do

“nuklearne ere”Bez nuklearnih postupaka kemija

“popunila”

tek

83 mjesta

“Novi”

kemijski elementiElementi iz urana (raspad

i “uhvat

n”)

Teškoionska

fuziija

Nuklearni “krajolik”

(karta nuklida)

Na Zemlji

je udio stabilnih izotopa veći od 99.999+%99.999+%..

~290 stabilnih nuklida

Dosad otkriveno više od 3000 nuklida

godina

br. p

ozna

tih

izot

opa Povijest otkrića

izotopa

Model kapljice

108

Hs

108

Hs

T1/2

~10-19

s

T1/2

~1015

s

Model ljusaka

Eklatantan primjerdvostruko magična jezgrahasija-272 (Z=108, N=164)

vjerojatnost spontane fisije- model kapljice

T1/2 ~ 10-19 s- model ljusaka

T1/2 ~ 1015 s

Stabilizacijski efekti ljusaka

Stabilizacijski efekti ljusakaProračuni daju za magičnu jezgru Z=116 / N=164

faktor stabilizacije do nevjerojatnih 1030, a predviđanja su još

izrazitija za N=184

Sinteza nobelija

254 (Z = 102)

48Ca: Z = 20, N = 28208Pb: Z = 82, N = 126

Z = 102, N = 154

Vodeče

institucije -

Laboratorij Flerova

za nuklearne reakcije, Zajednički

institut za nuklearna istraživanja (JINR), Dubna, Rusija -

Gesellschaft

für

Schwerionenforschung

(GSI),

Darmstadt, Njemačka -

Lawrence

Livermore

National

Laboratory

(LLNL), SAD

Sinteza elemenata

107 –

112

Ideja ruskih teoretičara (JINR, Duban, 1974) (pokušaji 1977-85)Realizirano u GSI, Darmstadt

s filterom

brzina SHIP

mete: 208Pb, 209Bi

projektili: Cr, Fe, Ni

i Zn,

“Hladna”

fuzija: Eexc

~

10 –

15 MeV

Sinteza elemenata

113

–

118

(bez 117)

Izračuni ruskih teoretičaraprethodili mjerenjima.U Dubni osjetljivost mjernog uređaja povečana

1000-struko

u odnosu na 1980-te.projektil:

48Ca

mete (LLNL): Pu, Am, Cm, Cf

“Vruća”

fuzija: Eexc

~

30 –

40 MeV

Zajednički projekt JINR –

LLNL

Sintetizirani elementi Z=112-118 s N=172 do 177.

• 1998.: element Z=114 (N=175)• 2000.: element Z=116 (N=177)• 2004.: elementi Z=115 (N=173),

Z=113 (N=171)

• 2006.: element

Z=118 (N=179)

Sinteza elemenata

113

–

118

(bez 117)

Tipično mjerenje: 2 mj. s 3–10 “pravih” događajaDetekcija: α čestice i fragmenti fisije

48Ca (248 MeV) + 243Am 291115 288115 + 3n 5α

Du-268 (Z=105, N=163) FF

(ECoul

= 236 MeV)

Svojstva teških jezgara

Sintetizirano preko 200 nuklida i određeni su im dominantni načini i vremena raspada

“Otok”

stabilnosti superteških

jezgara

Projektili teži od kalcija-48Kako dalje ?

ideja “inverzne fisije”= simetrična fuzija

- puno neutrona- visoka barijera zbog

maksimalnog Z1*Z2provjera koncepta

136Xe+136Xe 272Hs (Bfis~6.8 MeV)

Neutronima bogatiji sustavi

Gdje je granica superteških

jezgara ?

Razilaženja

u modelima i do 109

A gdje je granica

fuzija ?

b

dσ

= 2πb db

projektil meta

p

A gdje je granica

fuzija ?

mehanizam reakcije ovisi o param. sudara

tok ulaznih čestica se ”dijeli” na razne reakcijske kanale, a njihov broj raste s Ein

b

bmax dσ

= 2πb db

p

bbmax

dσ/ d

b

σ

σσ = = σ(σ(ll )) ll FUSFUS

projektil meta

dominira utjecaj nuklearnog srednjeg poljaPaulijev princip zamrzava nukleon-nukleon raspršenja

Od Coulombove

barijere do ~20 MeV/u

σσ TOTTOT

= = σσ FUSFUS

+ σ + σ B.P.B.P.

Globalno ponašanje

σσ TOTTOT

∼ ∼ σσ FUSFUS

centralni sudari:

fuzijaperiferni sudari:

elastični,

neelastični, kvazielestični

i dubokoneelastični

procesi

projektil meta

relativna brzina projektil-meta

projektil meta

relativna brzina projektil-meta

kF

slabi utjecaj nuklearnog srednjeg poljaotvara se fazni prostor za nukleon-nukleon raspršenja

σσ TOTTOT

= = σσ FUSFUS

+ σ + σ B.P.B.P.

Globalno ponašanje

centralni sudari:

nepotpuna fuzijaperiferni sudari:

izrazitiji duboko-

neelastični procesi

Oko Femijeve

energije (~35 MeV/u)

σσ TOTTOT

∼ σ∼ σ INC.FINC.FUSUS

Jako vruće jezgre !!!

Opće uvjerenje do sredine 90-ih

Binarni

disipativni

sudari–

BDC se pojavljuju

oko

Fermijeve

energijeNeovisno o

-

centralnosti

sudara- veličini sustava-

asimetriji

sustava

V .M

e tiv

ier e

t al .

(I ND

RA

Col

labo

ratio

n ), N

ucl .

P hy s

. A67

2 (2

000)

357

.

σσ TOTTOT

< 0.05 < 0.05 σσ FUSFUS

Emisija nabijenih čestica

J. P

e te r

et a

l ., N

ucl .

P hy s

.A59

3 (1

995)

95 .

Kalorimetrijski rekonstruirana masa primarnogQP jednaka masi projektila !?

Tako “rekonstruirani” primarni QP ekstremnovruć

Y .-G

. Ma

e t a

l., P

h ys.

Le t

t . B

390

(199

7) 4

1.

Ar (95 MeV/u) Ni

Mehanizam reakcije BDC tipa

Rana faza sudara (do podjele):kompaktni brzomijenjajućisustav

Druga faza sudara: Pojavaprimarnog QP & QT

Proces u dvije faze

Ph. E

ude s

, Z. B

asra

k an

d F .

Se b

il le ,

Phy

s. R

ev. C

56 (1

997)

200

3.

Simulacija dinamike sudara jezgara modelom Landau-Vlasova

Ar ( 65 MeV / u ) Al

Ar ( 65 MeV / u ) Al

Uloga

geometrije

sudara

Emisija nabijenih čestica i maksimumi

topline

(Eth

/A) i sabijanja po nukleonu

(Acompr

/A) su

proporcionalni geometrijskom preklopu

prokjeltila

i mete.Usljed međudjelovanja

NN sudara i

Paulijevog

principla u

zoni prekrivanja.

I . N

ovo s

e l, Z

. Bas

rak

e t a

l., P

hys.

Le t

t. B

625

(200

5) 2

6.

F . H

add a

d et

al .,

Phy

s.

Rev

. C60

(199

9) 0

3160

3 .

Čeoni sudari

Univerzalna

linearna zakonitost potvrđuje eminentnu

ulogu

“tvrdih”

NN sudara.

A targ

(A targ

+ A proj

) 2Eavail

=c.m. E proj

A proj

A projOvisnost o raspo- loživoj

energiji

I. N

ovo s

e l, Z

. Bas

rak

e t a

l., P

hys.

Le t

t. B

625

(200

5) 2

6.

Ovisnost podsistemskih

omjera za

Eth

/A o upadnoj

energiji

za čeone sudare

Omjer za projektil

=(Eth

/A)proj

Omjer za metu

=

(Eth

/A)sys

(Eth

/A)targ

(Eth

/A)sys

Što je asimetrija

sustava veća to je promjena režima sudara brža i izrazitija

Omjer

maksimuma

termičke energ.

I. N

ovo s

e l, Z

. Bas

r ak

et a

l ., P

hys.

Le t

t . B

625

(200

5) 2

6.

Oko Fermijeve

energije prozor nuklearne kvaziprozirnosti

Presudna uloga geometrije sudara.

Oko Fermijeve energije dolazi do funda-mentalne promjene mehanizma sudara od fuzije u binarne disipativne sudare usljed- slabljenja zaustavne moći srednjeg polja- još nedovoljnog broja NN raspršenja da,

a da bi nadomjestili nedostajuću zaustavnu moć sudara

Tranzijentno

područje

Provjera kvaziprozirnostiIzospinska

opservabla

Simulacije modelom Landau-Vlasova izospinski

asimetrične

reakcije

48Ca + 40Ca

na

40 MeV/u

N/ZN/ZQPQP

=1.27 =1.27 ––

1.311.31

N/Z N/Z omjeromjer

kvazikvaziprojeprojekktiltila a u ovisnosti o u ovisnosti o bb

b < 2 fmb < 2 fm

Mjerenja načinjena u LNS, Catania, Italija (eksperiment C-71)

i u

GANIL-u, Caen, Francuska (eksperiment

E-503).

Nuklearna

fuzija

2007.

Fuzija se Fuzija se Fuzija se “““uspijeuspijeuspiješššnonono””” opire punom opire punom opire punom razumjevanjurazumjevanjurazumjevanju sudarasudarasudara okookooko i i i dubokodubokoduboko ispodispodispodCCCoulomboulomboulombovovove e e barijerebarijerebarijere

Periodni sustav elemenata joPeriodni sustav elemenata joPeriodni sustav elemenata joššš nije nije nije konakonakonačččananan

Naglo Naglo Naglo isisisčččezavanjeezavanjeezavanje fuzije oko fuzije oko fuzije oko FermijeveFermijeveFermijeveenergije je posljedica promjene dinamikeenergije je posljedica promjene dinamikeenergije je posljedica promjene dinamikesudara uzrokovane nuklearnom sudara uzrokovane nuklearnom sudara uzrokovane nuklearnom kvazikvazikvazi---prozirnoprozirnoprozirnošššććću ? u ? u ?

Fuzija & energijaposljednji korak prema komercijalnom reaktoru ?planirani proračun: oko 20 milijardi USDSmješten u Francuskoj (Cadarache)

Suradnici

Suzana Szilner, Zagreb (suradnja s LNL-INFN, Legnaro,Italija – Kolaboracija Prisma – Clara)

Ivan Novosel, Zagreb (bio znanstveni novak na projektu)Philippe Eudes, Francois Sebille i Ferid Haddad,Subatech, Nantes, Francuska (višegogdišnja suradnja Zagreb – Nantes)

Kolaboracija Chimera (suradnja s LNS-INFN, Catania,Italija)

Kolaboracija INDRA (suradnja s GANIL, Caen, Francuska)

Hvala na pažnji !

Fuzija atomskih jezgara

FuzijaFuzija atomskihatomskih jezgarajezgara

LaboratorijLaboratorij

zaza

tetešškoionskukoionsku

fizikufiziku Zavod za eksperimentalnu fizikuZavod za eksperimentalnu fiziku

Institut Institut ““RRuđeruđer

BoBošškovikovićć””, Zagreb, Zagreb

Zoran

Basrak

Znanstveni sastanak Hrvatskog fizikalnog društvaPrimošten, 5. – 8. listopada 2007.

p-p lanac

–

temeljni processlabo ovisi o temperaturi (Sunce 15 MK)osnovni izvor energije (~25 MeV/ciklusu)

Elementi

atomskog

broja

Z > 100

višekratni uhvat neutrona (bomba, reaktor)fuzija s α česticama (ciklotron)

Elementi

atomskog

broja

Z = 93 –

100

fuzija s teškim ionimanepremostivi problemi za Z > 106rješenje u “hladnoj” fuziji (106 < Z < 112)za ići dalje korištena “vruća” fuzija i izotopi

bogati neutronima: 48Ca i mete transuraniza Z > 118 traže se nove ideje

Sinteza novih kemijskih elemenata

Stabilizacijski efekti ljusakatransurani se vrlo brzo raspadaju procesom

nuklearne fisije (“cjepanje” teške jezgre)Model kapljice je uveden da bi se opisao

proces nuklearne fisije – jezgra nabijeniviskozni fluid (Niels Bohr i John Wheeler)

Nukleoni u jezgri zbog vezanja “staze” ispina (L-S veza) zaposjedaju energetskinehomogena stanja – tvore ljuske

efekti ljusaka – stabilnija jezgramogućnost sinteze elemenata s

atomskim brojem Z

>105.

spektroskopija i kemija superteškihelemenata

A ima

li

fuzija granicu ?

bbmax

dσ/ d

b

σ

mehanizam reakcije ovisi o param. sudaratok ulaznih čestica se ”razdijeli” na razne reakcijske kanale čiji broj raste s Ein

centralnim sudarima dominira fuzijagranični kutni moment lfuz

kod perifernih sudara projektil i meta negube u potpunosti svoje polazne nukleone

b

bmax dσ

= 2πb db

projektil meta

Kutni moment vrtnje l je

proprcionalan

s

parametrom sudara bp

l = b x p

nukleoni u osnovnom stanju popune stanja do kF (r Fermijeve sfere)

Fermijeva energija u jezgrama ~35 MeV

kod niskih energija Fermijeve sfereprojektila i mete se preklapaju

porastom energije Fermijeve sferaprojektila i mete se počinju razdvajati

uz djelovanje srednjeg polja otvara sefazni prostor za izravne sudare nukleona(Paulijev princip od manjeg utjecaja)

Što se mijenja porastom energije ?

kF

projektil meta

relativna brzina projektil-meta

nukleoni u osnovnom stanju popune stanja do kF (r Fermijeve sfere)

Fermijeva energija u jezgrama ~35 MeV

kod niskih energija Fermijeve sfereprojektila i mete se preklapaju

porastom energije Fermijeve sferaprojektila i mete se počinju razdvajati

uz djelovanje srednjeg polja otvara sefazni prostor za izravne sudare nukleona(Paulijev princip od manjeg utjecaja)

Što se mijenja porastom energije ?

projektil meta

relativna brzina projektil-meta