13 Proces jaderné fúze: Vysvětlení a fakta

V tomto článku bude proces jaderné fúze ilustrován krok za krokem s vysvětleními a fakty, které se k němu vztahují.

Před zahájením podrobných faktů souvisejících s proces jaderné fúze měli bychom mít základní představu o reakci jaderné fúze ao tom, jak se liší od reakce jaderného štěpení. Jaderná fúze je přesně opačnou reakcí jaderného štěpení.

Všichni víme, že když se těžké jádro uranu 235 rozpadne na dva fragmenty dvou různých lehčích jader barya a kryptonu doprovázené 3 rychlejšími neutrony, pak se tato reakce nazývá jaderné štěpení. V případě fúze se dvě lehčí jádra spojí a vytvoří těžší jádro.

Pojďme k jádru tohoto konceptu, tj. vazebné energii na nukleon.

Podle vazebná energie křivky, poměrně lehčí jádra, která jsou umístěna na strmé části křivky, mají menší hodnoty vazebné energie na nukleon než vazebná energie na nukleon jader středních hmotnostních čísel.

To je důvod, proč pokud se dvě lehčí jádra spojí dohromady a vytvoří těžké jádro, pak by vazebná energie měla větší hodnotu a jaderná hmota by se následně snížila. Kladná hodnota Q je výsledek z ní získaný, který znamená uvolnění energie.

Výše zmíněná jaderná reakce se nazývá jako jaderná fúze.

Vědec Eddington v roce 1920 ukázal, že čtyři vodíky mohou být spojeny dohromady a vytvořit atom helia. Uvolnilo by se to 7 MeV/nukleon nebo celkem 28 MeV pro všechny čtyři atomy.

Rovnice reakce jaderné fúze je napsána níže:

₁H¹ + ₁H¹ → ₁H² + ₁e⁰ + ???? + Q                              Q = 0.42 MeV                       

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

Q označuje hodnotu uvolněné energie.

Faktory, na kterých jaderná fúze proces závisí na:

(i) Ke srážkám musí dojít mezi dvěma velmi energetickými jádry

(ii) Existuje požadavek na následné uspořádání jádra

(iii) Uvolněná energie by měla být kinetická energie a excitační energie jader produktu

Obě srážející se jádra jsou nabita kladně. Proto mezi nimi působí silná elektrostatická odpudivá síla, která se je snaží oddělit od sebe. Proto musí být kinetická energie těchto kolidujících jader velmi vysoká, aby mohla překonat elektrostatickou coulombovu odpudivou sílu.

Musí to být samoudržující reakce, aby uvolněná energie byla větší než absorbovaná energie při zahájení reakce.

S rostoucí hodnotou kinetické energie roste i teplota. Aby bylo sekundárním jádrům dodáno dostatečné množství energie. To je důvod, proč se reakce jaderné fúze také nazývají termonukleární reakce.

Získaná vysoká teplota v procesu jaderné fúze je až 10⁹ stupňů Celsia. S rostoucími atomovými čísly je také vysoký nárůst teploty. Hlavně tři izotopy vodíku (₁H¹,₁H²,₁H³) se používají v procesu jaderné fúze, zejména deuterium (₁H²).

Kroky procesu jaderné fúze jsou uvedeny níže:

Krok 1:

Nejprve se k sobě přiblíží dvě lehčí jádra, zejména dva atomy deuteria.

Krok 2:

Poté se tato dvě jádra zahřejí na velmi vysokou teplotu 10⁹ stupňů Celsia.

Krok 3:

Atomy by se měly srazit velmi vysokou rychlostí, aby překonaly elektrostatickou coulombovu odpudivou sílu působící mezi nimi (tato odpudivá síla působí, protože oba jsou kladně nabité).

Krok 4:

Poté se tyto dva atomy navzájem spojí.

                ₁H¹ + ₁H¹ → ₁H² + ₁e⁰ + ???? + Q                              Q = 0.42 MeV

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

Krok 5:

Po reakci se tvoří neutrony a uvolňuje se obrovské množství energie.

Krok 6:

Všichni dobře známe Einsteinův vztah hmoty a energie. to znamená E=mc² kde E = energie, m = hmotnost a c = rychlost světla. Nyní je hmotnost atomu produktu menší než hmotnost dvou reagujících atomů.

Tato přebytečná hmota se během reakce neztrácí, pouze se přeměňuje na energii podle výše uvedeného poměru hmotnostní energie.

Z celého tohoto procesu lze pozorovat, že k vytvoření obrovského množství energie potřebujeme velmi malé množství hmoty.

13+ proces jaderné fúze s podrobnými ilustracemi jsou uvedeny níže:

• Proces jaderné fúze ve hvězdách
• Proces jaderné fúze na slunci
• Hvězdné reakce
• Vznik procesu jaderné fúze uvnitř zemského jádra
• Proces neřízené jaderné fúze
• Proces řízené jaderné fúze
• Jaderné fúzní reaktory
• Proton – protonový cyklus
• Cyklus uhlík – dusík
• Termonukleární fúze
• Inerciální elektrostatický proces jaderné fúze
• Proces jaderné fúze v inerciálním zadržení
• Proces jaderné fúze paprsku-cíl

Proces jaderné fúze ve hvězdách

Hvězdy většinou obsahují hustě sbalené atomy vodíku a helia. Jelikož jsou na sebe velmi těsně natěsnané, vytvářejí obrovský tlak na jádro hvězd. Díky tomuto vysokému tlaku a teplotě kolem 10⁹ stupňů Celsia zde dochází k jaderné fúzi.

Dva lehčí atomy se spojí v reakci jaderné fúze. Dva atomy vodíku se spojí a vytvoří atom helia v jádru hvězd. I když zahájení jaderné fúze vyžaduje hodně energie, jakmile začne, produkuje obrovské množství energie.

Proces jaderné fúze probíhá ve hvězdách nepřetržitě. Nejprve se dva vodíky spojí a vytvoří helium, poté berylium atd. Jelikož je v atomu vodíku jeden proton, fúze atomů vodíku ve hvězdách je také známá jako fúze protonu a protonu.

Proces jaderné fúze na slunci

Jaderná fúze také probíhá na slunci. Zde se také atomy vodíku spojují a vytvářejí atomy helia. Čtyři atomy vodíku se navzájem spojí a vytvoří každý atom helia. Během tohoto procesu jaderné fúze se určité množství produktů přemění na energii.

Hvězdné reakce

Všechny prvky patřící do tohoto vesmíru byly v předchozích situacích vodík. Protony a neutrony, které patří k některým lehčím jádrům, jsou spojeny dohromady a tvoří nové prvky ve hvězdách. Proces, kterým k tomu dochází, je známý jako hvězdná nukleosyntéza.

Procesem jaderné fúze se vodík mění na helium, tepelnou energii a energii záření. Takže v podstatě nová jádra se tvoří z dříve existujících jader ve hvězdách prostřednictvím těchto reakcí.

V primordiální nukleosyntéze H, He a Li-7 vznikají v horkém raném vesmíru. Dnes hvězdná nukleosyntéza probíhá prostřednictvím termonukleárních reakcí ve hvězdném prostředí a záchytem neutronů ve hvězdném prostředí.

Vznik procesu jaderné fúze uvnitř zemského jádra

Zdroj, ze kterého probíhá proces jaderné fúze uvnitř vnitřního jádra Země, se zatím nenašel. Vědci tedy předpokládají, že rozpad radioaktivního prvky zde mohou být jedním ze zdrojů jaderné fúze.

Zde tato jaderná fúze, ke které dochází z deuteronů, zvyšuje rychlost reakce při velmi vysokém tlaku 364 GPa a velmi vysokou teplotou 5700 K. požadovaná rovnice reakce je:

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

Rychlost produkce tepla je 8.12 X 10¹² J/m3

Proces neřízené jaderné fúze

Ve vodíkovém zápalném zařízení dochází jak k jadernému štěpení, tak k fúzním reakcím. Štěpná část v něm obsahuje uran 235 a plutonium 239. Obklopila je atmosféra deuteria a tritia. Tato štěpná část hraje nejprve roli zapalovací pojistky a poskytuje vysokou teplotu 10⁷-10⁸ stupeň Celsia.

Toto extrémně horké prostředí pomáhá při zahájení procesu jaderné fúze. Tato teplota je pak udržována, aby proces mohl pokračovat.

Proces řízené jaderné fúze

Víme, že jadernou fúzi nelze získat v laboratoři, protože ke spuštění vyžaduje velmi vysokou teplotu. K vyřešení tohoto problému byl tedy zahájen proces použití částic s vysokou kinetickou energií.

Dalším přístupem k vyřešení tohoto problému je převod palivo z jaderné fúze do plazmy.

Jaderné fúzní reaktory

Reaktor jaderné fúze je aplikací řízené fúzní reakce. V tomto typu reaktoru se v podstatě jaderná energie přeměňuje na elektrickou energii. Jeho mechanismus je podobný normální jaderné fúzní reakci.

Bezvýznamné množství hmoty se přemění na obrovské množství energie podle Einsteinova vztahu hmota-energie E=mc².

Proton – protonový cyklus

Toto je v podstatě typ hvězdné reakce. Při této reakci se protony spojují za vzniku jader helia. Při této reakci se také uvolňuje hvězdná energie. Rovnice proton-protonového cyklu jsou

                                                     ₁H¹ + ₁H¹ → ₁H² +₁e⁰ + v + 0.42 MeV

                                                    ₁H² + ₁H¹→ ₂He³ + y + 5.5 MeV

                                                    ₂He³ + ₂He³ → ₂He⁴ + 2 ₁H¹ + 12.8 MeV

Cyklus uhlík – dusík

Toto je další typ hvězdné reakce. Používá se ve hvězdách jako alternativa k proton-protonovému cyklu. Energie v něm uvolněná je také stejná jako v předchozím cyklu.

Celková rovnice pro to je:

4 ₁H¹ → ₂He⁴ + 2 ₁e⁰ + 2v+ 3γ + 26.72 MeV

Termonukleární fúze

Tento typ jaderné fúze se používá v termonukleární munici. Při velmi vysoké teplotě přecházejí atomy při tomto typu reakce do plazmatického stavu. Extrémně vysoké kinetické energie pomáhají částicím ke srážce. Dochází tedy k fúzi.

Inerciální elektrostatický proces jaderné fúze

V těchto zařízeních se elektrické pole používá k ohřevu iontů, což zase napomáhá vzniku reakce jaderné fúze. Tento koncept se používá ve fusoru.

Proces jaderné fúze v inerciálním zadržení

Zde se palivový terč zahřívá a stlačuje, aby se mohla uvolnit fúzní energie. Palivový terč obsahuje peletu deuteria a tritia.

Proces jaderné fúze paprsku-cíl

V této metodě se používají urychlovače k ​​dosažení vysokých kinetických energií, aby došlo k fúzním reakcím lehkých iontů.

Přečtěte si více o 7 Fakta o Je možná jaderná fúze.

Také čtení:

• Příklady jaderné fúze
• Příklady jaderného štěpení
• Příklady jaderných paliv
• Odpad z jaderné fúze
• Kdy začíná jaderná fúze
• Jaderná fúze na slunci
• Je možná jaderná fúze
• Jaderná fúze ve hvězdách
• Příklady jaderných reakcí
• Je jaderná fúze obnovitelná