Vật lý tổng hợp hạt nhân

Phản ứng nhiệt hạch trong sao

Phản ứng nhiệt hạch là nguồn năng lượng chính của các ngôi sao và là cơ chế cho quá trình tổng hợp hạt nhân của các nguyên tố ánh sáng. Vào cuối những năm 1930, Hans Bethe lần đầu tiên nhận ra rằng phản ứng tổng hợp hạt nhân hydro để tạo thành deuterium là exergergic (nghĩa là có sự giải phóng năng lượng ròng) và cùng với các phản ứng hạt nhân tiếp theo, dẫn đến sự tổng hợp helium. Sự hình thành của helium là nguồn năng lượng chính được phát ra từ các ngôi sao bình thường, như Mặt trời, trong đó plasma lõi đốt có nhiệt độ dưới 15.000.000 K. Tuy nhiên, do khí từ một ngôi sao được hình thành thường chứa một lượng nặng hơn các nguyên tố, đáng chú ý là carbon (C) và nitơ (N), điều quan trọng là bao gồm các phản ứng hạt nhân giữa các proton và các hạt nhân này. Chuỗi phản ứng giữa các proton cuối cùng dẫn đến helium là chu trình proton-proton. Khi các proton cũng gây ra sự đốt cháy carbon và nitơ, chu trình CN phải được xem xét; và, khi bao gồm oxy (O), vẫn còn một sơ đồ thay thế khác, chu trình sinh học CNO, phải được tính đến. (Xem chu trình carbon.)

vũ khí hạt nhân: Nguyên tắc của vũ khí nhiệt hạch (nhiệt hạch)

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là sự kết hợp (hoặc hợp nhất) hạt nhân của hai nguyên tử để tạo thành một nguyên tử nặng hơn. Ở nhiệt độ cực cao

Chu trình tổng hợp hạt nhân proton-proton trong một ngôi sao chỉ chứa hydro bắt đầu bằng phản ứng H + H → D + ⁺ + ν; Q = 1,44 MeV, trong đó giá trị Q giả định sự hủy diệt của positron bằng một electron. Deuterium có thể phản ứng với các hạt nhân deuterium khác, nhưng, vì có quá nhiều hydro, tỷ lệ D / H được giữ ở các giá trị rất thấp, thường là 10 ⁻¹⁸. Do đó, bước tiếp theo là H + D → ³ He +; Q = 5,49 MeV, trong đó chỉ ra rằng các tia gamma mang lại một phần năng lượng. Việc đốt cháy đồng vị helium-3 sau đó tạo ra helium và hydro thông thường thông qua bước cuối cùng trong chuỗi: ³ He + ³ He → ⁴ He + 2 (H); Q = 12,86 MeV.

Ở trạng thái cân bằng, helium-3 đốt cháy chủ yếu bằng các phản ứng với chính nó vì tốc độ phản ứng của nó với hydro là nhỏ, trong khi đốt bằng deuterium là không đáng kể do nồng độ deuterium rất thấp. Khi helium-4 tích tụ, các phản ứng với helium-3 có thể dẫn đến việc sản xuất các nguyên tố nặng hơn, bao gồm beryllium-7, beryllium-8, lithium-7 và boron-8, nếu nhiệt độ lớn hơn khoảng 10.000.000 K.

Các giai đoạn của quá trình tiến hóa sao là kết quả của sự thay đổi thành phần trong thời gian rất dài. Mặt khác, kích thước của một ngôi sao được xác định bằng sự cân bằng giữa áp suất tác động bởi plasma nóng và lực hấp dẫn của khối lượng của ngôi sao. Năng lượng của lõi đốt được vận chuyển về phía bề mặt của ngôi sao, nơi nó được tỏa ra ở nhiệt độ hiệu quả. Nhiệt độ hiệu quả của bề mặt Mặt trời là khoảng 6.000 K, và lượng bức xạ đáng kể trong các bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại được phát ra.

Phản ứng nhiệt hạch để phát điện

Phản ứng giữa deuterium và triti là những phản ứng tổng hợp quan trọng nhất để tạo ra năng lượng có kiểm soát vì tiết diện cho sự xuất hiện của chúng cao, nhiệt độ plasma thực tế cần thiết để giải phóng năng lượng ròng ở mức trung bình và năng suất của các phản ứng là cao 17,58 MeV phản ứng tổng hợp DT cơ bản.

Cần lưu ý rằng bất kỳ huyết tương có chứa deuterium sẽ tự động tạo ra một số triti và helium-3 từ các phản ứng của deuterium với các ion deuterium khác. Các phản ứng tổng hợp khác liên quan đến các nguyên tố có số nguyên tử trên 2 có thể được sử dụng, nhưng chỉ với độ khó cao hơn nhiều. Điều này là do hàng rào Coulomb tăng khi điện tích của hạt nhân tăng lên, dẫn đến yêu cầu nhiệt độ trong huyết tương vượt quá 1.000.000.000 K nếu đạt được tốc độ đáng kể. Một số phản ứng thú vị hơn là:

1. H + ¹¹ B → 3 (⁴ Anh); Q = 8,68 MeV;

2. H + ⁶ Li → ³ He + ⁴ He; Q = 4.023 MeV;

3. ³ Anh + ⁶ Li → H + 2 (⁴ Anh); Q = 16,88 MeV; và

4. ³ Anh + ⁶ Li → D + ⁷ Be; Q = 0,13 MeV.

Phản ứng (2) chuyển đổi lithium-6 thành helium-3 và helium thông thường. Thật thú vị, nếu phản ứng (2) được theo sau bởi phản ứng (3), thì một proton sẽ lại được tạo ra và có sẵn để tạo ra phản ứng (2), từ đó truyền bá quá trình. Thật không may, có vẻ như phản ứng (4) có khả năng xảy ra gấp 10 lần so với phản ứng (3).

Phương pháp đạt được năng lượng nhiệt hạch

Những nỗ lực thực tế để khai thác năng lượng nhiệt hạch liên quan đến hai phương pháp cơ bản để chứa plasma nhiệt độ cao của các nguyên tố trải qua các phản ứng tổng hợp hạt nhân: giam cầm từ tính và giam cầm quán tính. Một cách tiếp cận ít có khả năng nhưng vẫn thú vị dựa trên phản ứng tổng hợp được xúc tác bởi muon; nghiên cứu về chủ đề này là mối quan tâm nội tại trong vật lý hạt nhân. Ba phương pháp này được mô tả chi tiết trong phần này. Ngoài ra, các quy trình phổ biến được gọi là hợp hạch lạnh và phản ứng tổng hợp bong bóng được mô tả ngắn gọn.

Giam cầm từ tính

Khi bị giam cầm từ tính, các hạt và năng lượng của plasma nóng được giữ cố định bằng từ trường. Một hạt tích điện trong từ trường trải qua một lực Lorentz tỷ lệ thuận với tích của vận tốc của hạt và từ trường. Lực này làm cho các electron và ion xoắn ốc về hướng của lực từ, do đó giam giữ các hạt. Khi cấu trúc liên kết của từ trường mang lại một giếng từ hiệu quả và sự cân bằng áp suất giữa plasma và trường ổn định, plasma có thể bị giới hạn khỏi ranh giới vật chất. Nhiệt và các hạt được vận chuyển cả dọc và trên cánh đồng, nhưng tổn thất năng lượng có thể được ngăn chặn theo hai cách. Đầu tiên là tăng cường độ của từ trường tại hai vị trí dọc theo đường sức trường. Các hạt tích điện chứa giữa các điểm này có thể được tạo ra để phản xạ qua lại, một hiệu ứng gọi là phản chiếu từ tính. Trong một hệ thống cơ bản thẳng với một vùng từ trường tăng cường ở mỗi đầu, các hạt vẫn có thể thoát qua các đầu do sự tán xạ giữa các hạt khi chúng tiếp cận các điểm phản chiếu. Mất mát cuối cùng như vậy có thể tránh được hoàn toàn bằng cách tạo ra một từ trường trong cấu trúc liên kết của hình xuyến (nghĩa là cấu hình của một chiếc bánh rán hoặc ống bên trong).

Nam châm bên ngoài có thể được bố trí để tạo ra một cấu trúc liên kết từ trường để giam cầm plasma ổn định, hoặc chúng có thể được sử dụng cùng với từ trường được tạo ra bởi dòng điện gây ra trong dòng plasma. Cuối những năm 1960 chứng kiến ​​một bước tiến lớn của Liên Xô trong việc khai thác các phản ứng nhiệt hạch để sản xuất năng lượng thực tế. Các nhà khoa học Liên Xô đã đạt được nhiệt độ cao trong huyết tương (khoảng 3.000.000 K), cùng với các thông số vật lý khác, trong một cỗ máy được gọi là tokamak (xem hình). Tokamak là một hệ thống giam cầm từ tính hình xuyến, trong đó plasma được giữ ổn định bằng cả từ trường hình bánh rán được tạo ra bên ngoài và bởi dòng điện chạy trong plasma. Kể từ cuối những năm 1960, tokamak đã trở thành trọng tâm chính của nghiên cứu tổng hợp từ tính trên toàn thế giới, mặc dù các phương pháp khác như stellarator, torus compact và pinch trường đảo ngược (RFP) cũng đã được theo đuổi. Trong các phương pháp này, các đường sức từ đi theo một đường xoắn ốc, hoặc giống như trục vít khi các đường sức từ diễn ra xung quanh hình xuyến. Trong tokamak, độ cao của vòng xoắn là yếu, do đó, các đường trường gió lỏng lẻo xung quanh hướng đa hình (thông qua lỗ trung tâm) của hình xuyến. Ngược lại, các đường trường RFP cuộn chặt hơn nhiều, quấn nhiều lần theo hướng đa hình trước khi hoàn thành một vòng theo hướng hình xuyến (xung quanh lỗ trung tâm).

Huyết tương giới hạn từ tính phải được nung nóng đến nhiệt độ mà phản ứng tổng hợp hạt nhân mạnh mẽ, thường lớn hơn 75.000.000 K (tương đương với năng lượng 4.400 eV). Điều này có thể đạt được bằng cách ghép các sóng tần số vô tuyến hoặc vi sóng với các hạt plasma, bằng cách bơm các chùm năng lượng của các nguyên tử trung tính bị ion hóa và đốt nóng plasma, bằng cách nén từ tính plasma, hoặc bằng cách đốt nóng ohmic (còn gọi là đốt nóng Joule) xảy ra khi một dòng điện đi qua plasma.

Sử dụng khái niệm tokamak, các nhà khoa học và kỹ sư ở Hoa Kỳ, Châu Âu và Nhật Bản đã bắt đầu vào giữa những năm 1980 để sử dụng các thiết bị tokamak thử nghiệm lớn để đạt được các điều kiện về nhiệt độ, mật độ và năng lượng phù hợp với những điều cần thiết cho sản xuất năng lượng nhiệt hạch thực tế.. Các máy móc được sử dụng để đạt được những kết quả này bao gồm Torus Torus chung (JET) của Liên minh châu Âu, Tokamak-60 (JT-60) của Nhật Bản và cho đến năm 1997, Lò phản ứng thử nghiệm Tokamak Fusion (TFTR) ở Hoa Kỳ. Thật vậy, trong cả hai thiết bị TFTR và JET, các thí nghiệm sử dụng deuterium và triti đã tạo ra hơn 10 megawatt năng lượng nhiệt hạch và về cơ bản là điều kiện hòa tan năng lượng trong chính plasma. Các điều kiện plasma tiếp cận với những người đạt được trong tokamaks cũng đã đạt được trong các máy sao lớn ở Đức và Nhật Bản trong những năm 1990.