ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 42
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 42. Ядерный синтез

Почему соединение лёгких ядер может выделять энергию?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Почему соединение лёгких ядер может выделять энергию?

Наблюдаем и объясняем

Энергия продуктов синтеза

Увеличивай число учтённых событий и сравни энергию альфа-частиц и нейтронов.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

1

Около 17,6 МэВ на реакцию, из них 3,5 у He-4 и 14,1 у нейтрона. Начальная энергия мала относительно выхода; скорость реакций не предсказывается.

01

Преодолеть отталкивание

Положительно заряженные ядра электрически отталкиваются. Чтобы сильное взаимодействие стало существенным, они должны сблизиться на ядерные расстояния. В горячей плазме часть столкновений и квантовое туннелирование делают реакции синтеза возможными.

Высокая температура характеризует распределение энергий частиц, а не одну одинаковую скорость всех ядер. Одной температуры недостаточно для заметного энергетического выхода: важны плотность, время удержания, состав и потери. Здесь рассматривается физический принцип без расчёта устройства установки.

Лёгкие ядра

Кулоновское отталкивание

Близкое взаимодействие

Возможность ядерного превращения

Более связанное состояние

Часть энергии покоя переходит в движение

Синтез требует подходящих условий столкновения и энергетически разрешённого канала.

Почему любое столкновение двух ядер не заканчивается слиянием?

Ядра могут не сблизиться достаточно, а вероятность реакции зависит от энергий, квантовых свойств и конкретного канала.

02

Пример дейтерия и трития

Один важный пример: ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + энергия. Число нуклонов 2 + 3 = 4 + 1, заряд 1 + 1 = 2 + 0. Энергетический выход около 17,6 МэВ на реакцию.

Если исходная суммарная кинетическая энергия мала в сравнении с выходом, около 3,5 МэВ уносит альфа-частица и 14,1 МэВ нейтрон. Импульсы двух продуктов в системе центра масс противоположны и равны по модулю; более лёгкий нейтрон получает большую кинетическую энергию.

Реакция

D + T → He-4 + n

Энергетический выход

Около 17,6 МэВ

Распределение

Около 3,5 МэВ и 14,1 МэВ

Выделившаяся энергия распределяется между продуктами согласно сохранению энергии и импульса.

Почему нейтрон получает больше энергии, чем альфа-частица?

При одинаковом модуле импульса нерелятивистская энергия p²/(2m) больше у частицы меньшей массы.

Плазма в токамаке EAST

Магнитное удержание плазмы — один из исследуемых подходов к синтезу. Фото плазмы не является доказательством положительного электрического баланса установки.

Xiang Gao, Yao Yang, Tao Zhang, Haiqing Liu, Guoqiang Li, Tingfeng Ming, Zixi Liu, Yumin Wang, Long Zeng, Xiang Han et al. · CC BY 3.0 · Источник. Без изменений.

Солнце глазами космической обсерватории SDO

Солнце испускает электромагнитное излучение разных диапазонов. На снимках космических приборов цвета могут быть условным отображением выбранного диапазона.

NASA/SDO/AIA · Общественное достояние · Источник фотографии.

03

Синтез в звёздах и на Земле

В звёздах синтез лёгких ядер является важнейшим источником энергии. В Солнце преобладает протон-протонная цепочка, которая в сумме превращает водород в гелий с испусканием других частиц. Это не просто та же реакция D–T в лабораторной установке.

На Земле исследуют разные способы удержания горячей плазмы, включая магнитное и инерциальное. Получение отдельных реакций, усиление энергии плазмы и положительный электрический баланс всей станции — разные достижения. Их нельзя подменять одним словом «работает».

Синтез в звёздах и на Земле: сравнение
СистемаОсобенность
СолнцеГравитационное удержание, цепочки реакций
Магнитное удержаниеПоле влияет на движение заряженной плазмы
Энергетическая установкаНужно учитывать все затраты и выходы

Энергия ядерных реакций и полезная электрическая энергия установки требуют разных границ баланса.

Почему нейтроны не удерживаются магнитным полем как заряженные компоненты плазмы?

Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому обычная сила Лоренца qv × B для его движения отсутствует.

04

Модель: энергия одной и многих реакций

Меняй число условно подсчитанных реакций. Схема показывает суммарную энергию и её распределение между продуктами. Для одной реакции 17,6 МэВ ≈ 2,82·10⁻¹² Дж. Для 100 реакций это около 2,82·10⁻¹⁰ Дж.

Очень малая энергия одного события становится большой при огромном числе событий. Число реакций в модели — просто множитель; оно не предсказывает скорость синтеза и не задаёт условия реального эксперимента.

Энергия события

17,6 МэВ

Перевод

1 МэВ ≈ 1,602·10⁻¹³ Дж

Много событий

E = NQ

Для макроскопической энергии нужно учитывать огромное число микроскопических событий.

Можно ли из числа реакций найти мощность без времени?

Нет. Мощность равна энергии за единицу времени, поэтому нужна длительность или частота реакций.

Соберём главное

Шесть выводов

01Синтез требует подходящих условий столкновения и энергетически разрешённого канала.
02Выделившаяся энергия распределяется между продуктами согласно сохранению энергии и импульса.
03Энергия ядерных реакций и полезная электрическая энергия установки требуют разных границ баланса.
04Для макроскопической энергии нужно учитывать огромное число микроскопических событий.
05Распределение энергии между продуктами связано с их массами и импульсами.
06Положительный выход отдельной реакции не равен положительному балансу всей установки.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Сближению положительных ядер препятствует…
2. Реакция D + T даёт…
3. Энергетический выход D–T примерно…
4. Как распределяется энергия между основными продуктами в модели?
5. Почему нейтрон получает больше кинетической энергии?
6. Энергия одной реакции в джоулях примерно…
7. У ста одинаковых реакций энергия…
8. Можно ли найти мощность по числу реакций без времени?
9. Солнечные реакции — это обязательно лабораторный D–T канал?
10. Положительный выход реакции гарантирует положительный электрический баланс станции?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 42. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 42. Реакции ядерного синтеза.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…