Гимназија ''Свети Сава'' Пожега

Матурски рад из физике

НУКЛЕАРНА ФУЗИЈА

Ментор: Ученик:

Бранка Смиљанић, професор Жељко Ћировић

Пожега, мај, 2013.

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

С А Д Р Ж А ЈСтрана

1. Увод........................................................................................................................................3

2. МЕХАНИЗАМ РЕАКЦИЈЕ..................................................................................................4

3.МОГУЋНОСТИ ПОСТИЗАЊА ФУЗИЈЕ...........................................................................6

3.1. Термонуклеарна фузија.................................................................................................63.2. Сноп-сноп или сноп-мета фузија.................................................................................63.3. Мионски катализована фузија......................................................................................63.4. Остали принципи...........................................................................................................7

4. ВАЖНИЈЕ РЕАКЦИЈЕ.........................................................................................................7

4.1. Астрофизички реакциони циклуси..............................................................................74.2. Терестријалне реакције фузије.....................................................................................9

5. ЗАКЉУЧАК.........................................................................................................................11

6. ЛИТЕРАТУРА 12

2

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

1. Увод

У нуклеарној физици, фузија је реакција у којој се два или више атомска нуклеуса сударају јако великим брзинама и стварају нови и већи атомски нуклеус. Маса реактаната је већа од масе производа из чега следи да је реакција егзотермна и да се ослобађа велика количина енергије као и фотона. Овај процес се такође континуирано одиграва на сунцу као и на осталим звездама што објашњава велике количине енергије које оне емитују.Спајање два нуклеуса са мањим масама од гвожђа (гвожђе и никл имају највеће енргије везивања по нуклеону) углавном доводи до ослобађања енергије док фузија тежих нуклеуса од гвожђа апсорбује енергију. Супротно важи за супротни процес - нуклеарну фисију. То значи да је нуклеарна фузија заступљена само код лакших елемената док се фисија одиграва искључиво код тежих. Постоје и ретке астрофизичке појаве које могу довести до кратких периода спајања већих нуклеуса. Тај процес се назива нуклеосинтеза и обично се одиграва током процеса попут експлозије супернове.Након открића тунел ефекта 1929. године, Роберт Еткинсон и Фриц Хојтерманс су користили измерене вредности лаких елемената и предвидели да би се велике количине енергије могле ослободити спајањем мањих нуклеуса. Прву реакцију фузије у лабораторијским условима извео је Марк Олифант 1932. године. Проучавање фузије у војне сврхе почело је 1940. године у склопу Менхетн пројекта али први резултати су остварени тек 1951. године, а прво тестирање фузионе бомбе изведено је 1. новембра 1952. године у САД.Истраживања око експлоатисања фузије у цивилне сврхе почела су 50их година прошлог века и трају дан данас. Верује се да ће већ 2020 бити могуће произвести вишак енергије у фузионим реакторима.

Слика 1. - најдеструктивније оружје које је човек направио. Совјетска "Цар" бомба. направљена 1961. године. Њена снага еквивалента је 57 мегатона динамита.

3

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

2. МЕХАНИЗАМ РЕАКЦИЈЕ

Да би се догодила реакција фузије потребно је надјачати баријеру електростатичких сила које владају у нуклеусу. На већим даљинама, два нуклеуса се међусобно одбијају због одбојне електростатичке силе која делује између протона та два нуклеуса. Међутим, ако се нуклеуси могу довести довољно близу, та електростатичка сила може да буде превазиђена привлачном нуклеарном силом која је јача од кулонове одбојне силе на мањим раздаљинама. Када се нуклеон дода у нуклеус, привлачна сила га везује са осталим нуклеонима и то са првим суседима због кратког радијуса деловања силе. Нуклеони унутар нуклеуса имају доста више суседних нуклеона од оних на површини. Обзиром на то да мањи нуклеуси имају већи однос површине и запремине нуклеарна енергија везивања по нуклеону се повећава све то граничне вредности која одговара нуклеусу са пречником ширине четири нуклеона. С друге стране, електростатичка сила је обрнуто пропорцијална квадрату растојања тако да ће протон који је ушао у нуклеус осетити одбојну силу од свих осталих протона у нуклеусу. Електростатичка енергија по нуклеону се тако повећава до бесконачности како нуклеус постаје већи.Резултат ове две силе јесте да енергија везивања по нуклеону расте све до елемената никла и гвожђа, а онда опада код већих нуклеуса. У одређеном тренутку, енергија везивања постаје негативна и нуклеуси са преко 208 нуклеона (то одговара пречнику од око 6 нуклеона) нису стабилни. Најстабилније везана језгра су Ni-62, Fe-56, Fe-58 и Ni-60 у опадајућем редоследу.

Слика 2. - ружичастом бојом назначена је одбојна електростатичка сила а зеленом бојом привлачна нуклеарна сила која делује непосредно око језгра

Значајан изузетак овог правила јесте He-4. Његова енергија везивања већа је од енергије литијума, следећег елемента у периодном систему. Ово се објашњава Паулијевим принципом. Обзиром на то да су протони и неутрони фермиони, они не могу да постоје у идентичном стању. Сваки протонски и неутронски енергетски ниво у језгру може да садржи по две честице са различитим спином. He-4 има необично велику енергију везивања зато што се нуклеус састоји од два протона и два неутрона тако да сва четири нуклеона могу да буду у основном стању. Додатни нуклеуси би морали да буду у стањима са већом енергијом.Ситуација је слична када се два нуклеуса приближе један другоме. Док се приближавају, протони из једног нуклеуса одбијаће протоне из другог. Тек када се приближе толико да се додирну нуклеарна сила ће их везати. Међутим, чак и ако је

4

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

коначно енергетско стање ниже од почетног, постоји велика енергетска баријера која мора да се превазиђе. Назива се Кулонова баријера.Кулонова баријера је најмања за изотопе водоника зато што њихови нуклеуси садрже само једну јединицу наелектрисања. Дипротон није стабилан тако да су неопходни и неутрони. У идеалном случају, један од производа би требао да буде језгро хелијума због његове велике стабилности.Коришћењем мешавине деутеријума и трицијума као гориво, резултујућа енергетска баријера би износила око 0,1 MeV. Просечни резултат фузије је нестабилни He-5 нуклеус који моментално избацује неутрон енергије 14,1 MeV. Енергија узмака преосталог He-4 нуклеуса је 3,5 MeV тако да је укупна ослобођена енергија 17,6 MeV. Ово је много већа енергија од енергије која је била потребна за превазилажење енергетске баријере.Попречни пресек реакције (σ) је мера вероватноће да се догоди реакција фузије и то је функција релативне брзине реактантских нуклеуса. Степен реакције јесте производ попречног пресека реакције, брзине реактаната и запреминске заступљености реактаната.

f =n1 n2¿v)

Ако постоји само једна врста нуклеуса реактанта онда се n1n2 мења са (1/2)n2 . (σv) се повећава од нуле на собној температури до значајних вредности на температурама од 10-100 KeV. На овим температурама, далеко изнад уобичајених енергија јонизације (13,6 еV у случају водоника), реактанти фузије налазе се у стању плазме.

5

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

3.МОГУЋНОСТИ ПОСТИЗАЊА ФУЗИЈЕ

3.1. Термонуклеарна фузија

Ако се материја довољно загреје (до стања плазме), реакција фузије ће се одвијати због високих термалних кинетичких енергија честица. Овај процес се назива термонуклеарна фузија и то је за сада једини могући начин за добијање фузионе енергије.

Слика 3. - најпознатији облик фузије јесте термонуклеарна фузиј а. Она производи сву енергију које сунце емитује а и користи се код прављења нуклеарног оружја.

3.2. Сноп-сноп или сноп-мета фузија

Ако се енергија за иницијацију реакције добија убрзавањем једног нуклеуса, тај процес се назива сноп-мета фузија а ако се оба нуклеуса убрзавају процес се назива сноп-сноп фузија.Акцелераторска фузија лаких јона је техника која користи акцелераторе честица за постизање довољно великих кинетичких енергија честица за фузију лаких јона. Убрзавање лаких јона је релативно лако и може се вршити веома ефикасно. Све што је потребно јесте вакуумска цев, пар електрода и високо-волтажни трансформатор. Фузија се постиже са само 10KeV између електрода. Кључни проблем код овог типа фузије јесте што су реакције фузије доста ређе у односу на електростатичке интеракције које се јављају. Због тога велика већина јона потроши енергију на закочно зрачење или на јонизацију атома мете.

3.3. Мионски катализована фузија

Мионски катализована фузија је врло поуздан фузиони процес који се дешава на собној температури. Проучавао га је Стивен Џоунс раних 1980их година. Производња енергије овим процесом није могућа због високе енергије која је потребна за стварање миона,

6

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

због кратког времена живота (2.2 µs) и због шансе да ће се мион везати за алфа честицу која настаје у реакцији.

3.4. Остали принципи

Постоји још читав низ пријављених начина за постизање нуклеарне фузије. Неки од њих су научно потврђени, али без могућности за стварање вишка енергије док други нису никад ни доказани.Сонофузија је контроверзни модел фузије који предлаже да би акустични ударни таласи који стварају привремене мехуре који се шире и распадају убрзо након стварања могли да створе притисак и температуру неопходну за постизање фузије.Фарнсверт-Хиршов уређај користи електростатичко убрзавање јона за постизање нуклеарне фузије."Поливел" је нетермодинамичка машина која користи електростатичко затварање за убрзавање јона у једну тачку где они врше фузију.Антиматеријска фузија користи мале количине антиматерије за постизање мале фузионе експлозије. Овај начин се углавном проучава у контексту стварања фузионе пропулзије или апсолутних фузионих бомби. Ово ће тешко постати практичан извор енергије због високе цене стварања антиматерије.Пироелектрична фузија се постиже загревањем пироелектричног кристала од -34 до 7 оC у комбинацији са иглом волфрама која производи електрично поље од 25 гигаволти по метру за јонизацију и акцелерацију деутеријумових нуклеуса у мету од ербијум деутерида. Деђава се фузија и стварање He-3 и неутрона енергије 2,45MeV. Иако је ово практичан генератор неутрона, апарат се не може користити као генератор енергије јер захтева много више енергије него што производи.Хибридна нуклеарна фузија-фисија је предлог комбиновања реакције нуклеарне фисије и фузије. Овај начин би једино могао да се оствари детонацијом мањих хидрогених бомби унутар подземних пећина. Као извор енергије, ово је једини начин који би могао да се оствари користећи данашњи степен развитка технологије, међутим, обзиром на то да би овакав систем захтевао континуиране залихе атомских бомби, питање колико је овај метод исплатив.

4. ВАЖНИЈЕ РЕАКЦИЈЕ

4.1. Астрофизички реакциони циклуси

Високе температуре у унутрашњости звезда обезбеђују велике брзине честица, а велике густине, те већу вероватноћу за њихово приближавање и одвијање фузије. Висока унутрашња температура Сунца иницијално је обезбеђена гравитационом силом. Она је последица велике Сунчеве масе, која сабија гас, због чега се он загрева. Промене хемијског састава звезда условљене су фузионим реакцијама п-п ланца и ЦНО циклуса. Основне фузионе реакције у језгру Сунца одвијају се на тај начин што, у коначном, четири језгра водоника стварају језгро хелијума.Такве термонуклеарне реакције су егзотермне и у њима се, на рачун дефекта масе (дефект масе представља смањење масе звезда на рачун енергије коју емитују), ослобађа енергија коју Сунце емитује. Ове реакције се, највећим делом, одвијају у

7

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

такозваном протон-протонском (п-п) циклусу. Овај циклус је најефикаснији на температурама од око 15 милиона степени и при густинама 100*103 kg/m3. У првој фази овог циклуса, два протона стварају деутерон, позитрон и неутрино уз ослобођење енергије. Деутерон је језгро атома деутеријума, изотопа водоника. Ово језгро разликује се од језгра атома водоника јер, поред протона, садржи и неутрон. Због тога деутеријум зову и тешки водоник. У току ове реакције ослобађа се енергија од 1,44 МеV. Потом деутерон ступа у реакцију са још једним протоном градећи изотоп хелијума, уз ослобођење енергије. У последњој фази овог циклуса два изотопа хелијума граде трећи, тежи изотоп хелијума и два протона уз ослобођење енергије. Добијени протони започињу нову локалну реакцију уз ослобођење енергије. Тиме се окончава једна варијанта п-п циклуса. Ова варијанта п-п циклуса приказана је на слици.Осим у п-п циклусу, водоник на звездама може фузионо да сагорева и уз учешће језгара атома тежих елемената – угљеника, кисеоника итд. Ова језгра се у реакцијама понашају као катализатори, тј. она се у реакцијама могу трансформисати, уз појављивање „међупроизвода“, али се у коначном не троше. Најважнији ланац таквих фузионих рекција одвија се уз учешће језгра изотопа угљеника C-12. То је познати угљенично-азотни (CNО) циклус, који је открио Х. Бет 1938 године.

Слика 4. - CNO циклус се обично одиграва код старијих звезда

8

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

4.2. Терестријалне реакције фузије

Да би била користан извор енергије, реакција фузије мора да испуни неколико критеријума:

- Мора да буде егзотермна- Нуклеуси реактанти морају да имају мале редне бројеве због електростатичког одбијања- Мора да има два реактанта- Мора да има два или више производа реакције- Мора да сачува све протоне и неутроне

Мало реакција испуњава ове критеријуме. Следе реакције са највећим попречним пресеком.

(1)  D  +  T  →  He  (  3.5 MeV  )  +  n0  (  14.1 MeV  )

(2*)  D  +  D  →  T  (  1.01 MeV  )  +  p+  (  3.02 MeV  )           

(2**)        →  He-3  (  0.82 MeV  )  +  n0  (  2.45 MeV  )           

(3)  D +  He-3  →  He  (  3.6 MeV  )  +  p+  (  14.7 MeV  )

(4)  T +  T  →  He        +  2 n0            + 11.3 MeV

(5)  He-3  +  He-3  →  He        +  2 p+            +  12.9 MeV

(6*)  He-3  +  T  →  He        +  p+  +  n0        +  12.1 MeV   

(6**)        →  He  (  4.8 MeV  )  +  D  (  9.5 MeV  )           

(7*)  D  +  Li-6  →2  He  +  22.4 MeV

(7**)        →  He-3  +  He    +  n0            +  2.56 MeV

(7***)        →  Li-7  +  p+                  +  5.0 MeV

(7****)        →  Be-7  +  n0                  +  3.4 MeV

(8)  p+  +  Li-6  →  He  (  1.7 MeV  )  +  He-3  (  2.3 MeV  )

(9)  He-3  +  Li-6  →2  He  +  p+                  +  16.9 MeV

(10)  p+  +  B-11  →3  He                      +  8.7 MeV

Табела 1.

Поред ових реакција, следеће реакције користе се за синтезу трицијума унутар хидрогених бомби:

9

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

n0  + 6

3Li → 

3

1T + 

4

2He + 4.784 MeV

n0  + 7

3Li → 

3

1T + 

4

2He + n0 – 2.467 MeV

Последња од ове две није била позната када су САД испробале другу фузиону бомбу у историји (и прву која је користила литијум). Дизајнери бомбе су схватили корист литијума-6 у производњи трицијума али нису препознали да би фисија литијума-7 у многоме повећала принос бомбе. Li-7 има мали неутронски попречни пресек са малим енергијама али нагло се повећава са енергијама изнад 5 МеV. Литијум пролази кроз ланчану реакцију због испуштања неутрона после фисије. Принос је износио 15 Мt и био је 150% већи од предвиђених 6 Мt.Поред реактаната, производа и ослобођене енергије, битно је познавати и попречни пресек реакције. Било који фузиони уређај или реактор има максимални притисак плазме који може да поднесе и економичан уређај би увек радио близу тог максимума. Највећи принос би се постигао тако што би се температура подесила да <σv>/T2 буде максимално. Овај оптимум би износио следеће вредности код датих реакција:

fuel T [keV] <σv>/T2 [m3/s/keV2]

D + T 13.6 1.24×10−24

D + D 15 1.28×10−26

D + He-3 58 2.24×10−26

p+ + Li-6 66 1.46×10−27

p+ + B-11 123 3.01×10−27

Табела 2.

Многе од ових реакција граде ланце. На пример, реактор напуњен са T и He-3 производи D што може касније да се искористи у D-He-3 реакцији. Такође се могу комбиновати реакције (8) и (9). He-3 из реакције (8) може да реагује са Li из реакције (9). То би произвело протон који би могао да се употреби у реакцији (8).

5. ЗАКЉУЧАК

10

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

Нуклеарна фузија је реакција у којој се ослобађа далеко више енергије него код фисије или било ког тренутно примењеног начина добијања енергије. Фузија такође није ни приближно опасна по средину обзиром да не постоје радиоактивни производи реакције. Могућност стварања енергије фузионим реакторима су огромне и вероватно би се решиле енергетске потребе човечанства за сва времена. Због тога је неопходно даље истраживати и проналазити нове начине и могућности за евентуалну експлоатацију енергије из атома. Енергије која се налази свуда око нас и коју, за разлику од фосилних горива па чак и уранијума, никако није могуће исцрпети. Фузија и јесте извор живота обзиром на то да је сунце један велики фузиони мотор са погоном на водоник и било би незамисливо какве би предности биле када би човечанство створило такав један мотор и на земљи.

Слика 5. - Токамак (тороидална комора са аксијалним магнетним пољем) је уређај који је направљен 50их година у Совјетском савезу и користи се за задржавање плазме у комори у облику торуса. То је један од највише истраживаних кандидата за производњу контролисане термонуклеарне фузије.

6. ЛИТЕРАТУРА

11

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

1. Shultis, J.K. and Faw, R.E. (2002). Fundamentals of nuclear science and engineering. CRC Press. p. 151. ISBN 0-8247-0834-2.2. Physics Flexbook. Ck12.org. 3. Bethe, Hans A. "The Hydrogen Bomb", Bulletin of the Atomic Scientists, April 1950, p. 99.4. "Progress in Fusion". ITER. 5. "The National Ignition Facility: Ushering in a New Age for Science". National Ignition Facility. Retrieved 6. "DOE looks again at inertial fusion as potential clean-energy source", David Kramer, Physics Today, March 2011, p 267. The Most Tightly Bound Nuclei. Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. 8. Jones, S.E. (1986). "Muon-Catalysed Fusion Revisited". Nature 321 (6066): 127–133. Bibcode:1986Natur.321..127J. doi:10.1038/321127a0.9. Access: Desktop fusion is back on the table: Nature News. Nature.com. 10. Supplementary methods for “Observation of nuclear fusion driven by a pyroelectric crystal”. Main article Naranjo, B.; Gimzewski, J.K.; Putterman, S. (2005). "Observation of nuclear fusion driven by a pyroelectric crystal". Nature 434 (7037)

12

МАТУРСКИ РАД Нуклеарна фузија

Датум предаје: ______________

Комисија:

Председник _______________

Испитивач _______________

Члан _______________

Коментар:

Датум одбране:_____________ Оцена__________ (___)

13