Энергия продуктов синтеза
Увеличивай число учтённых событий и сравни энергию альфа-частиц и нейтронов.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
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.
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.
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.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
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.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
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».
| Система | Особенность |
|---|---|
| Солнце | Гравитационное удержание, цепочки реакций |
| Магнитное удержание | Поле влияет на движение заряженной плазмы |
| Энергетическая установка | Нужно 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.
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.
Шесть выводов
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.
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.