Synteza jądrowa

Plazma

Jest to stan materii przypominający gaz, w którym część atomów pozbawiona została elektronów, które poruszają się swobodnie, albo przyłączają do innych atomów. Jednak w całej objętości jest on elektrycznie obojętny.

Idealną plazmę dla celów syntezy jądrowej jest stan, w którym mamy do czynienia z jądrami pozbawionymi zupełnie elektronów, które nie utrudniają zderzeń jądrom. Plazma może powstawać w wyniku przepływu prądu, promieniowania elektromagnetycznego lub najczęściej pod wpływem wysokiej temperatury.

Reakcja syntezy jądrowej

Synteza jądrowa (nazywana też fuzją) to łączenie sił mniejszych jąder w jedno większe. Proces ten dla pierwiastków lekkich prowadzi do defektu masy produktów syntezy i tym samym wydzielenia energii. Wydzielana energia w tym procesie jest dużo większa niż dla rozszczepienia.

Do zajścia tego zjawiska konieczne jest zetknięcie się tych jąder co jest dość trudne ze względu na silne odpychanie protonów znajdujących się w tych jądrach. Dlatego zjawisko to zachodzi w bardzo wysokich temperaturach (dziesiątki mln K) lub w akceleratorach.

Reakcje syntezy w gwiazdach

We wnętrzu gwiazd panuje temperatura rzędu dziesiątek mln K. Jest ona wystarczająca do powstania plazmy i pokonania sił odpychania między jądrami wodoru. Dzięki czemu wodór w wyniku wielu zderzeń łączy się hel.

Cykle syntezy

Cykle to kolejne zderzenia i połączenia jąder prowadzące do powstawania danego pierwiastka. Podstawowy cykl występujący we wszystkich gwiazdach to cykl protonowy, w którym powstaje z wodoru hel.

W cyklu tym z czterech protonów (jądra wodoru) w kolejnych zderzeniach powstaje jądro helu i wydziela się przy tym energia 26,7 MeV.

W masywniejszych gwiazdach i zachodzą cykle wytwarzające cięższe pierwiastki takich jak: węglowo-azotowo-tlenowy, Proces 3-apha (wytarzanie węgla - zachodzi też w starych gwiazdach rozmiaru Słońca)

Bomba termojądrowa

A: Stopień rozczepienia (ładunek pierwotny)
B: Stopień fuzji (ładunek wtórny)

1. chemiczny materiał wybuchowy
2. osłona z uranu-238
3. próżnia
4. pluton lub uran zawierający tryt w stanie gazowym
5. styropian
6. osłona uranu-238
7. lit-6-deuter (paliwo fuzji)
8. pluton
9. reflektor

Typy ładunków jądrowych

Jako zapalników używa się bomb uranowych lub plutonowych. Natomiast głównym materiałem są jądra lekkich pierwiastków, które ulegają syntezie jądrowej. Najczęściej spotykane reakcje to:

⁶Li + n → ⁴He + T + 4,8 MeV
T + D → ⁴He +n + 17,6 MeV
D + D → T + p + 4 MeV
D + D → ³He + n + 3,3 MeV

 

Z czego dwie pierwsze są samopodtrzymujące się, a pozostałe służą do zwiększenia energii wybuchu (w szczególności bomby 3 stopniowe). Moc bomb termojądrowych jest około 1000 razy większa od bomb atomowych i może dochodzić do 150Mt TNT.

Tokamaki

Tokamak to doświadczalne urządzenie do produkcji energii elektrycznej z procesu syntezy jądrowej. Obecnie znajdują się w fazie badać i nie potrafił jeszcze działać wytwarzając energię dla przemysłu. Reakcja fuzji jądrowej zachodzi w silnym polu magnetycznym utrzymującym syntezującą gorącą plazmę bez kontaktu z materią.