13 Kernsamesmeltingsproses: Verduidelikings en feite

In hierdie artikel gaan die kernfusieproses stap vir stap geïllustreer word met verduidelikings en feite wat daarmee verband hou.

Voordat u begin met die gedetailleerde feite wat verband hou met kernfusie proses ons behoort 'n basiese idee te hê oor kernfusie-reaksie en hoe dit verskil van die kernsplytingsreaksie. Kernfusie is net die teenoorgestelde reaksie van kernsplyting.

Ons weet almal dat wanneer 'n swaar kern van uraan 235 in twee fragmente van twee verskillende ligter kerne van barium en kripton breek, vergesel van 3 vinniger neutrone, hierdie reaksie bekend staan ​​as kernsplyting. In geval van samesmelting kombineer twee ligter kerne om 'n swaarder kern te vorm.

Kom ons kom by die kern van hierdie konsep, naamlik die bindende energie per nukleon.

Volgens die bindende energie kromme, relatief ligter kerne wat op die steil gedeelte van die kromme geplaas word, het minder waardes van bindingsenergie per nukleon as die bindingsenergie per nukleon van die kerne van intermediêre massagetalle.

Kernbindende energiekromme van Wikipedia

Dit is die rede as twee ligter kerne saamgesmelt word om 'n swaar kern te vorm, sal die bindingsenergie 'n groter waarde hê en die kernmassa sal gevolglik afneem. 'n Positiewe Q-waarde is die resultaat wat daaruit verkry word wat 'n vrystelling van energie aandui.

Die kernreaksie wat hierbo genoem word, word as kernfusie.

Kernfusie proses
Kernfusie van Wikipedia

Dit is deur 'n wetenskaplike Eddington in 1920 getoon dat vier waterstof saamgesmelt kan word om 'n heliumatoom te vorm. Dit sou vrystel 7 MeV/nukleon of 'n totaal van 28 MeV vir al die vier atome.

Vergelyking van kernfusie reaksie word hieronder geskryf:

1H1 + 1H1 1H2 + 1e0 + 𝜈 + V                              Q= 0.42 MeV                       

1H2 + 1H2  → 2He3 + 0n1 + V                                Q= 3.3 MeV

Q dui die waarde van vrygestelde energie aan.

Die faktore waarop kernfusie proses hang af van is:

(i) Die botsings moet tussen twee baie energieke kerne wees

(ii) Daar is 'n vereiste om die kern later te herrangskik

(iii) Die vrygestelde energie moet die kinetiese energie en opwekkingsenergie van die produkkerne wees

Beide die botsende kerne is positief gelaai. Daarom werk 'n sterk elektrostatiese afstotingskrag tussen hulle in wat probeer om hulle van mekaar te skei. Daarom moet die kinetiese energie van hierdie botsende kerne baie hoog wees sodat dit die elektrostatiese coulomb-afstotingskrag kan oorkom.

Dit moet 'n selfonderhoudende reaksie wees sodat die energie wat vrygestel word groter is as die energie wat geabsorbeer word om die reaksie te begin.

Soos die waarde van kinetiese energie toeneem, neem temperatuur ook toe. Sodat 'n voldoende hoeveelheid energie aan die sekondêre kerne gelewer word. Dit is hoekom kernfusie reaksies ook genoem word as termonukleêre reaksies.

Die hoë temperatuur wat in 'n kernfusieproses verkry word, is so hoog as 10⁹ grade Celsius. Soos die atoomgetalle hoog word, is die temperatuurstyging ook hoog. Hoofsaaklik drie isotope van waterstof(1H1,1H2,1H3) word gebruik in kernfusieproses, veral deuterium (1H2).

Kernfusie van Wikipedia

Die stappe van kernfusieproses word hieronder uiteengesit:

stap 1:

Aanvanklik word twee ligter kerne veral twee deuteriumatome naby mekaar gebring.

stap 2:

Daarna word hierdie twee kerne verhit teen 'n baie hoë temperatuur van 10⁹ grade Celsius.

Stap 3:

Die atome behoort teen 'n baie hoë spoed te bots om die elektrostatiese coulomb-afstotingskrag wat tussen hulle inwerk te oorkom (hierdie afstotingskrag tree op aangesien albei positief gelaai is).

Stap 4:

Dan word hierdie twee atome aan mekaar saamgesmelt.

                1H1 + 1H1 1H2 + 1e0 + 𝜈 + V                              Q= 0.42 MeV

                1H2 + 1H2  → 2He3 + 0n1 + V                                Q= 3.3 MeV

Stap 5:

Nadat die reaksie plaasgevind het, word neutrone gevorm en 'n groot hoeveelheid energie word vrygestel.

Stap 6:

Almal van ons is redelik bekend met Einstein se massa-energie-verhouding. Dit wil sê, E=mc² waar E= energie, m= massa en c= snelheid van lig. Nou is die massa van die produkatoom minder as die massa van die twee reagerende atome.

Hierdie oortollige massa gaan nie verlore tydens die reaksie nie, dit word slegs omskep in energie volgens die massa-energieverhouding hierbo.

Uit hierdie hele proses kan waargeneem word dat ons 'n baie klein hoeveelheid massa benodig om 'n groot hoeveelheid energie op te wek.

13+ kernfusieproses met gedetailleerde illustrasies word hieronder genoem:

Kernfusieproses in die sterre

Sterre bevat meestal diggepakte waterstof- en heliumatome. Aangesien hulle baie dig aan mekaar gepak is, skep hulle groot druk by die kern van die sterre. As gevolg van hierdie hoë druk en temperatuur vind hier rondom 10⁹ grade Celsius kernfusie plaas.

Twee ligter atome versmelt saam in die kernfusie reaksie. Twee waterstofatome kombineer saam om 'n heliumatoom in die kern van die sterre te vorm. Alhoewel dit baie energie verg om kernfusie te begin, produseer dit 'n groot hoeveelheid energie sodra dit begin het.

Kernfusieproses vind voortdurend in die sterre plaas. Eers kombineer twee waterstof om helium te vorm, daarna berillium, ens. Aangesien daar een proton in 'n waterstofatoom is, staan ​​die samesmelting van waterstofatome in sterre dus ook bekend as proton-protonfusie.

Kernfusieproses in die son

Kernfusie vind ook in die son plaas. Hier kombineer waterstofatome ook om heliumatome te vorm. Vier waterstofatome word aan mekaar saamgesmelt om elke heliumatoom te vorm. Sommige massa van die produkte word tydens hierdie kernfusieproses in energie omskep.

Sterre reaksies

Alle elemente wat aan hierdie heelal behoort was waterstof in vorige situasies. Protone en neutrone wat aan sommige ligter kerne behoort, word saam gekombineer om nuwe elemente binne die sterre te vorm. Die proses waardeur dit plaasvind, staan ​​bekend as sternukleosintese.

Stellar nukleosintese van Wikipedia

Waterstof word deur die kernfusieproses na helium, hitte-energie en stralingsenergie verander. So basies word nuwe kerne gevorm uit die reeds bestaande kerne in die sterre deur hierdie reaksies.

In primordiale nukleosintese word H,He en Li-7 in die warm vroeë heelal geproduseer. Vandag vind sternukleosintese plaas deur termonukleêre reaksies in die steromgewing en neutronvangs in die steromgewing.

Kernfusieproses wat binne die aarde se kern plaasvind

Die bron waaruit kernfusieproses binne die binnekern van die aarde plaasvind, moet nog gevind word. Daarom word dit deur die wetenskaplikes aanvaar dat verval van radioaktiewe elemente kan hier een van die bronne van kernfusie wees.

Hier verhoog hierdie kernfusie wat van die deuterone plaasvind die tempo van die reaksie teen 'n baie hoë druk van 364 GPa en 'n baie hoë temperatuur van 5700 K. die vereiste vergelyking van die reaksie is:

2D + 2D + 2D → 2 1H1 + 2He4 + 20.85 MeV

Die tempo waarteen hitte geproduseer word, is 8.12 X 10¹² J/m3

Onbeheerde kernfusieproses

In 'n waterstofbrandtoestel vind beide kernsplyting en samesmeltingsreaksies plaas. Die splitsingsdeel daarin bevat uraan 235 en plutonium 239. 'n Atmosfeer van deuterium en tritium het hulle omring. Hierdie splitsingsdeel speel eers die rol van 'n ontstekingslont en verskaf 'n hoë temperatuur van 107-108 graad Celsius.

Hierdie uiters warm atmosfeer help om die proses van kernfusie te begin. Hierdie temperatuur word dan gehandhaaf sodat die proses kan aanhou loop.

Termonukleêre ammunisie van Wikipedia

Beheerde kernfusieproses

Ons weet dat kernfusie nie in 'n laboratorium verkry kan word nie, aangesien dit 'n baie hoë temperatuur vereis om te begin. Om hierdie probleem op te los, is die proses van die gebruik van deeltjies met hoë kinetiese energie dus begin.

Nog 'n benadering om hierdie probleem op te los, is om die kernfusiebrandstof in plasma.

Kernfusiereaktors

Kernfusiereaktor is 'n toepassing van beheerde samesmeltingsreaksie. In hierdie tipe reaktor word kernenergie basies omskep in elektriese energie. Die meganisme daarvan is soortgelyk aan die normale kernfusie-reaksie.

'n Onbeduidende hoeveelheid massa word omgeskakel in 'n enorme hoeveelheid energie volgens Einstein se massa-energie-verhouding, E=mc².

Kernfusiereaktor van Wikipedia

Proton – proton siklus

Dit is basies 'n tipe sterreaksie. In hierdie reaksie word protone saamgesmelt om heliumkerne te produseer. Sterre energie word ook in hierdie reaksie vrygestel. Die vergelykings van proton-proton siklus is-

                                                     1H1 + 1H11H2 +1e0 + v + 0.42 MeV

                                                    1H2 + 1H12He3 + γ + 5.5 MeV

                                                    2He3 + 2He32He4 + 2 1H1 + 12.8 MeV

Koolstof-stikstof siklus

Dit is 'n ander tipe sterreaksie. Dit word in die sterre gebruik as 'n alternatief vir die proton-proton-siklus. Die energie wat daarin vrygestel word, is ook dieselfde as die vorige siklus.

Die algehele vergelyking hiervoor is:

4 1H12He4 + 2 1e0 + 2v+ 3γ + 26.72 MeV

Termonukleêre samesmelting

Hierdie tipe kernfusie word in termonukleêre ammunisie gebruik. By 'n baie hoë temperatuur gaan die atome na die plasmatoestand in hierdie tipe reaksie. Uiters hoë kinetiese energieë help die deeltjies om te bots. Daarom vind samesmelting plaas.

Traagheid elektrostatiese insluiting kernfusie proses

In hierdie toestelle word 'n elektriese veld gebruik om die ione te verhit, wat weer help om 'n kernfusie-reaksie te voorkom. Hierdie konsep word in 'n fusor gebruik.

Traagheidsbeperking kernfusieproses

Hier word 'n brandstofteiken verhit en saamgepers sodat samesmeltingsenergie vrygestel kan word. Die brandstofteiken bevat 'n korrel van deuterium en tritium.

Straal-teiken kernfusie proses

In hierdie metode word versnellers gebruik om hoë kinetiese energieë te bewerkstellig om lig-ioon samesmeltingsreaksies te voorkom.

Lees meer oor 7 Feite oor Is kernfusie moontlik.

Scroll na bo