R1X5XsjICxUBr1

Zdjęcie przedstawia tokamak w Korei Południowej stojący w dużym pomieszczeniu fabrycznym o zielonej podłodze. Wysoko na platformie obserwacyjnej wisi flaga Korei. Sam tokamak ma postać dużego, beczkowatego urządzenia, od którego z lewej strony odchodzi system rur. Rusztowania wokół pozwalają ocenić wysokość maszyny na co najmniej osiem metrów.

1. Reakcja syntezy jąder atomowych

Reakcje rozszczepienia jąder ciężkich nie są jedynym dostępnym źródłem energii związanym z przemianami jednych atomów w inne.

R1eHDuOfqY5rN1

Schemat przedstawiający dwa wykresy średniej energii wiązania przypadająca na jeden nukleon dla różnych pierwiastków: a) obszar jąder lekkich b) obszar jąder ciężkich.

Energia jądrowa wydzielana jest w reakcjach, w których końcowe produkty mają większy deficyt masy przypadający na jeden nukleon, niż pierwiastki stanowiące substraty tych reakcji. Taka sytuacja zachodzi w wyniku połączenia dwóch lekkich jąder w jedno o większej masie.

Z powyższego wykresu wynika, że połączenie dwóch jąder lekkich w jedno cięższe również może być źródłem energii. Ponadto możemy zauważyć, że energia wiązania nukleonu helu ${}_2{}^4\mathrm{He}$ wielokrotnie przewyższa energię w jądrze deuteru ${}_1{}^2\mathrm{H}$.

Jądro helu jest więc znacznie stabilniejsze niż jądro deuteru, zatem żeby oderwać nukleon od jądra helu, trzeba dostarczyć o wiele więcej energii, niż w przypadku jądra deuteru. Gdyby zatem połączyć ze sobą dwa jądra deuteru w jedno jądro helu, to w takim procesie zostałaby uwolniona duża nadwyżka energii (kosztem deficytu masy). Takie reakcje nazywamy reakcjami syntezy jąderreakcja syntezy jądrowejreakcjami syntezy jąder:

${}_1{}^2\mathrm{H}+{}_1{}^2\mathrm{H}\to {}_2{}^3\mathrm{He}+n$.

Ilość wydzielanej energii podczas takiej reakcji wynosi ok. $\mathrm{3,25} \mathrm{MeV}$.

Możliwe są inne schematy przebiegu reakcji syntezy jąder, znacznie korzystniejsze energetycznie:

lub

Podczas syntezy jądra trytu i deuteru (ostatni schemat) zostaje uwolniona energia, która w przeliczeniu na nukleon czterokrotnie przewyższa energię uzyskaną z rozszczepienia jądra uranu Indeks górny 238²³⁸U.

ROLgd0iLmqGR11

Animacja przedstawia reakcję syntezy jądra deuteru i trytu w jądro helu. Na początku pojawiają się napisy: „FIZYKA” i pod spodem „Synteza termojądrowa”. Tło beżowe. Pierwsza scena: po lewej dwie przylegające do siebie kile, jedna zielona, druga czerwona. Obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 2 (góra) 1 (dół) H. Po prawej: trzy przylegające do siebie kule, dwie zielone i jedna czerwona (czerwona w środku). Obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 3 (góra) 1 (dół) H. Kule z prawej i lewej zbliżają się do środka ekranu – do siebie. Po chwili kule łączą się ze sobą, znikają czarne napisy. Złączona kule przez chwilę drgają, a następnie oddzielają się od siebie, w taki sposób, że na lewą stronę przesuwa się jedna zielona kula - obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 1 (góra) 0 (dół) n, a na prawą stronę przesuwają się dwie zielone i dwie czerwone kule połączone ze sobą - obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 4 (góra) 2 (dół) H. Po chwili, w nawiasach, pojawiają się dodatkowe napisy obok już występujących. Do napisu po lewej dołączono „14.1 MeV”, do napisu po prawej dołączono: „3.5 MeV”).

Animacja przedstawia reakcję syntezy jądra deuteru i trytu w jądro helu. Na początku pojawiają się napisy: „FIZYKA” i pod spodem „Synteza termojądrowa”. Tło beżowe. Pierwsza scena: po lewej dwie przylegające do siebie kile, jedna zielona, druga czerwona. Obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 2 (góra) 1 (dół) H. Po prawej: trzy przylegające do siebie kule, dwie zielone i jedna czerwona (czerwona w środku). Obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 3 (góra) 1 (dół) H. Kule z prawej i lewej zbliżają się do środka ekranu – do siebie. Po chwili kule łączą się ze sobą, znikają czarne napisy. Złączona kule przez chwilę drgają, a następnie oddzielają się od siebie, w taki sposób, że na lewą stronę przesuwa się jedna zielona kula - obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 1 (góra) 0 (dół) n, a na prawą stronę przesuwają się dwie zielone i dwie czerwone kule połączone ze sobą - obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 4 (góra) 2 (dół) H. Po chwili, w nawiasach, pojawiają się dodatkowe napisy obok już występujących. Do napisu po lewej dołączono „14.1 MeV”, do napisu po prawej dołączono: „3.5 MeV”).

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Animacja przedstawia reakcję syntezy jądra deuteru i trytu w jądro helu. Na początku pojawiają się napisy: „FIZYKA” i pod spodem „Synteza termojądrowa”. Tło beżowe. Pierwsza scena: po lewej dwie przylegające do siebie kile, jedna zielona, druga czerwona. Obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 2 (góra) 1 (dół) H. Po prawej: trzy przylegające do siebie kule, dwie zielone i jedna czerwona (czerwona w środku). Obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 3 (góra) 1 (dół) H. Kule z prawej i lewej zbliżają się do środka ekranu – do siebie. Po chwili kule łączą się ze sobą, znikają czarne napisy. Złączona kule przez chwilę drgają, a następnie oddzielają się od siebie, w taki sposób, że na lewą stronę przesuwa się jedna zielona kula - obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 1 (góra) 0 (dół) n, a na prawą stronę przesuwają się dwie zielone i dwie czerwone kule połączone ze sobą - obok czarny napis z indeksem górnym i dolnym po lewej stronie litery: 4 (góra) 2 (dół) H. Po chwili, w nawiasach, pojawiają się dodatkowe napisy obok już występujących. Do napisu po lewej dołączono „14.1 MeV”, do napisu po prawej dołączono: „3.5 MeV”).

Spróbujmy teraz odpowiedzieć na pytanie: jakie należy stworzyć warunki, aby umożliwić przebieg reakcji syntezy lekkich jąder?

Główną przeszkodą są oddziaływania elektryczne między jądrami, mającymi zawsze ładunek dodatni. Aby mogła zajść reakcja, jądra muszą się znaleźć w wystarczająco małej odległości (dla jąder deuteru jest to ok. ${10}^{-15}\mathrm{m}$). Należy więc wytworzyć tak wysoką temperaturę, żeby energia kinetyczna jąder była na tyle duża, aby mogły one się do siebie zbliżyć i w rezultacie zainicjować przebieg reakcji. Przykładowo: łączenie ze sobą dwóch jąder deuteru wymaga temperatury, jaka panuje na Słońcu: $T\approx {10}^7\mathrm{K}$. Reakcję syntezy jąder, która zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury, nazywamy reakcją termojądrowąreakcja termojądrowareakcją termojądrową.

Jak widać, przeprowadzenie reakcji termojądrowej wymaga dostarczenia ogromnych ilości energii. Aby równoważyła onawkład energetyczny niezbędny do wywołania reakcji, temperatura próbki materiału powinna być jeszcze wyższa i wynosić co najmniej $35·{10}^7\mathrm{K}$. Wzrost temperatury sprawia, że zwiększa się liczba zderzeń, a tym samym zwiększa prawdopodobieństwo zachowania ciągłości procesu. Jednak materia znajduje się wówczas w stanie plazmyplazmaplazmy i jest całkowicie zjonizowana. Kontrola przebiegu reakcji termojądrowej wymaga więc nie tylko wytworzenia gorącej plazmygorąca plazmagorącej plazmy, lecz także odizolowania jej od otoczenia. Wieloletnie próby uzyskania korzystnego bilansu energetycznego fuzji termojądrowej nie przyniosły pomyślnych rezultatów. Dotychczas żadnemu z nie udało się wytworzyć większej ilości energii niż ta, którą należało dostarczyć w celu podtrzymania przebiegu reakcji.

2. Skąd pochodzi energia słoneczna?

Reakcje termojądrowe są głównym źródłem energii gwiazd, w tym Słońca. W ciągu jednej sekundy Słońce wypromieniowuje energię rzędu ${10}^{26}\mathrm{J}$, a temperatura jego centralnej części sięga $\mathrm{1,3}·{10}^7\mathrm{K}$.

RrCO2WxSmmXZP1

Fotosfera Słońca

Aby wytłumaczyć emisję tak olbrzymich ilości energii, w 1938 r. zaproponowano protonowo‑protonowy cykl reakcji.

${}_1{}^1\mathrm{H}+{}_1{}^1\mathrm{H}\underset{}{\to }{}_1{}^2\mathrm{H}+e^{+}+\mathrm{neutrino elektronowe}+\mathrm{1,44}\mathrm{MeV}$

${}_1{}^1\mathrm{H}+{}_1{}^2\mathrm{H}\underset{}{\to }{}_2{}^3\mathrm{He}+\mathrm{5,49}\mathrm{MeV}$

${}_2{}^3\mathrm{He}+{}_2{}^3\mathrm{He}\underset{}{\to }{}_2{}^4\mathrm{He}+2·{}_1{}^{1}H+\mathrm{12,85} \mathrm{MeV}$ (1951 r. – jako przedłużenie reakcji). 

Cykl protonowo‑protonowy opiera się na reakcjach syntezy jąder wodoru, które to reakcje prowadzą do wytworzenia jąder helu, czemu towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii, w tym promieniowania gamma. Jądro ${}_1{}^2\mathrm{H}$ powstałe w pierwszej reakcji nazywa się deuteronem (od nazwy izotopu wodoru – deuteru).

R11q5P0xBuZrX1

Widoczne Słońce, zbliżamy się do niego aż w końcu widzimy jądra poruszające się z ogromnymi prędkościami wewnątrz Słońca. Widoczne dwa razy dwa jądra wodoru, które po dwa zderzają się ze sobą, powstają dwa deuteronu (proton i neutron w jądrze), z każdego odlatuje pozyton w postaci jednej kulki, neutrino w postaci mniejszej kulki i wypromieniowana zostaje energia. Następnie każdy z dwóch deuteronów zderza się z kolejnym jądrem wodoru, powstają dwa jądra helu z dwoma protonami i jednym neutronem oraz wypromieniowana zostaje energia. Następnie dwa powstałe jądra helu zderzają się ze sobą i powstaje jądro helu z dwoma neutronami i dwoma protonami, powstają dwa jądra wodoru w postaci dwóch protonów i wypromieniowana zostaje energia.

Widoczne Słońce, zbliżamy się do niego aż w końcu widzimy jądra poruszające się z ogromnymi prędkościami wewnątrz Słońca. Widoczne dwa razy dwa jądra wodoru, które po dwa zderzają się ze sobą, powstają dwa deuteronu (proton i neutron w jądrze), z każdego odlatuje pozyton w postaci jednej kulki, neutrino w postaci mniejszej kulki i wypromieniowana zostaje energia. Następnie każdy z dwóch deuteronów zderza się z kolejnym jądrem wodoru, powstają dwa jądra helu z dwoma protonami i jednym neutronem oraz wypromieniowana zostaje energia. Następnie dwa powstałe jądra helu zderzają się ze sobą i powstaje jądro helu z dwoma neutronami i dwoma protonami, powstają dwa jądra wodoru w postaci dwóch protonów i wypromieniowana zostaje energia.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Widoczne Słońce, zbliżamy się do niego aż w końcu widzimy jądra poruszające się z ogromnymi prędkościami wewnątrz Słońca. Widoczne dwa razy dwa jądra wodoru, które po dwa zderzają się ze sobą, powstają dwa deuteronu (proton i neutron w jądrze), z każdego odlatuje pozyton w postaci jednej kulki, neutrino w postaci mniejszej kulki i wypromieniowana zostaje energia. Następnie każdy z dwóch deuteronów zderza się z kolejnym jądrem wodoru, powstają dwa jądra helu z dwoma protonami i jednym neutronem oraz wypromieniowana zostaje energia. Następnie dwa powstałe jądra helu zderzają się ze sobą i powstaje jądro helu z dwoma neutronami i dwoma protonami, powstają dwa jądra wodoru w postaci dwóch protonów i wypromieniowana zostaje energia.

3. Bomba wodorowa i perspektywy kontrolowanej syntezy termojądrowej

Stosunkowo łatwo udało się wykorzystać reakcję termonuklearną do celów militarnych. Skonstruowano tzw. bombę wodorową, która wykorzystuje niekontrolowaną reakcję syntezy jąder helu z deuteru i trytu. Energia wyzwolona podczas wybuchu takiej bomby znacznie przewyższa energię wybuchu zwykłych bomb jądrowych i jest równoważna energii wyzwolonej podczas wybuchu ponad 50 megaton TNTmegatona TNTmegaton TNT (trójnitrotoluenu), czyli 50 milionów ton trotylu.

RaN2xb9EjPVNI1

Bomby wodorowa

Bomby wodorowa

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Bomby wodorowa

Głównym problemem, jaki napotkali konstruktorzy bomb wodorowych, było utrzymanie przez odpowiednio długi czas na tyle wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia, aby zainicjować reakcję syntezy. W tym celu wykorzystano bombę jądrową, która pełni funkcję zapalnika. Masa reagująca (deuterek litu) otacza bombę atomową. Może być pokryta dodatkową warstwą uranu Indeks górny 238²³⁸U, co dodatkowo zwiększa efektywną moc bomby.

Skutki wybuchu bomby wodorowej są przerażające. Temperatura w epicentrum może osiągnąć nawet do ${10}^8\mathrm{K}$, skażeniem promieniotwórczym jest objęty zdecydowanie większy obszar niż w przypadku „zwykłej” bomby atomowej, a zniszczenia wywołane falą uderzeniową są ogromne.

R1OwFdyKNRiPA1

Bomba wodorowa

Wykorzystanie energii syntezy jądrowej do celów inne niż militarne okazało się znacznie trudniejsze. Utrzymywanie reakcji przez długi czas oraz ciągłe odprowadzanie uzyskiwanej energii są niezwykle skomplikowane. Pamiętajmy, że w temperaturze, w której zachodzi ta synteza wszystkie znane materiały są w stanie lotnym. Na razie cały proces pochłania więcej energii niż jej dostarcza. Zachodzi w urządzeniach nazywanych tokamakamitokamaktokamakami. Tokamak to (z ros. toroidalnaja kamiera s magnitnymi katuszkami) toroidalna komora z cewkami magnetycznymi. Koncepcję tokamaka w 1950 r. opracowali Igor Tamm i Andriej Sacharow, a pierwszy egzemplarz tego urządzenia zbudowano w Moskwie w 1956 r. Obecnie największy tokamak o nazwie JET (a ang. Joint European Torus) pracuje w Wielkiej Brytanii i służy do przygotowania pracy reaktora ITERITERITER.

R1aZbRCrnYOtY1

Na filmie wyświetlane są zdjęcia przedstawiające wygląd reaktora termojądrowego - Tokamak.

Na filmie wyświetlane są zdjęcia przedstawiające wygląd reaktora termojądrowego - Tokamak.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Na filmie wyświetlane są zdjęcia przedstawiające wygląd reaktora termojądrowego - Tokamak.

Tokamak wytwarza plazmę w komorze wyładowań i utrzymuje ją kosztem energii dostarczanej przez prąd elektryczny o natężeniu zależnym od typu tokamaka, sięgającym nawet miliona amperów. Plazma dodatkowo stabilizowana jest przez pole magnetyczne. Komora wyładowań ma kształt toroidalny.

Pierwszym reaktorem termojądrowym, który ma wytwarzać więcej energii niż zużywać, będzie reaktor ITER. Jego nazwa pochodzi od pierwszych liter angielskiej nazwy: International Thermonuclear Experimental Reactor. Ma powstać na południu Francji w 2016 r.

Podsumowanie

• Reakcje syntezy lekkich jąder atomowych są niezwykle wydajnym źródłem energii, ale trudno jest kontrolować te reakcje.

• W wyniku reakcji syntezy jądra helu zwykle tworzone są z jąder izotopów wodoru – deuteru i trytu. Wydzielana energia jest wynikiem deficytu masy (masa jądra helu jest mniejsza od sumy mas jąder wodoru):

  • ${}_1{}^2\mathrm{H}+{}_1{}^2\mathrm{H}\to {}_2{}^3\mathrm{He}+\mathrm{n}+\mathrm{3,25}\mathrm{MeV}$

  • ${}_1{}^2\mathrm{H}+{}_1{}^2\mathrm{H}\to {}_1{}^3\mathrm{H}+\mathrm{p}+\mathrm{4,03}\mathrm{ MeV}$

  • ${}_1{}^2\mathrm{H}+{}_1{}^3\mathrm{H}\to {}_2{}^4\mathrm{He}+\mathrm{n}+\mathrm{17,6}\mathrm{MeV}$

• Żeby zaszła reakcja syntezy, energia kinetyczna jąder musi być na tyle duża, aby pokonać siły odpychania kulombowskiego. Ponadto temperatura musi wynosić ok. – ${10}^7\mathrm{K}$, co sprawia, że takie reakcje nazywamy reakcjami termojądrowymi.

• W reakcjach syntezy jądrowej masa krytyczna ma znaczenia.

• Do przeprowadzenia reakcji termojądrowej potrzebna jest duża ilości energii, która powoduje gwałtowny wzrost temperatury. Materia w tak wysokiej temperaturze znajduje się w stanie plazmy.

• Reakcje termojądrowe trudno kontrolować, ponieważ plazma nie może mieć kontaktu z pozostałymi elementami aparatury pomiarowej i dodatkowo musi być stabilizowana polem magnetycznym. Ponadto trudno uzyskać bardzo wysoką temperaturę, która jest potrzebna, aby reakcja syntezy była korzystna energetycznie.

• Energia, którą emituje Słońce powstaje w wyniku naturalnych reakcji termojądrowych, zwanych cyklem protonowo‑protonowym.

  • ${}_1{}^1\mathrm{H}+{}_1{}^1\mathrm{H}\underset{}{\to }{}_1{}^2\mathrm{H}+{\mathrm{e}}^{+}+\mathrm{neutrino elektronowe}+\mathrm{1,44}\mathrm{ MeV}$

  • ${}_1{}^1\mathrm{H}+{}_1{}^2\mathrm{H}\underset{}{\to }{}_2{}^3\mathrm{He}+\mathrm{5,49}\mathrm{MeV}$

  • ${}_2{}^3\mathrm{He}+{}_2{}^3\mathrm{He}\underset{}{\to }{}_2{}^4\mathrm{He}+2·{}_1{}^1\mathrm{H}+\mathrm{12,85}\mathrm{MeV}$

• Cykl protonowo‑protonowy opiera się na reakcjach syntezy jąder wodoru, które to reakcje prowadzą do wytworzenia jąder helu. Temu procesowi towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii, w tym promieniowania gamma.

• Przykładem niekontrolowanej i sztucznie wywołanej reakcji jądrowej jest bomba termojądrowa (wodorowa).

• Próby kontrolowania łańcuchowych reakcji termojądrowych odbywają się w reaktorach termojądrowychnp. w tokamakach. Nie udało się jednak przeprowadzić takiej reakcji korzystnej energetycznie (reaktor zużywa więcej energii niż jej wytwarza). Takie urządzenia utrzymują plazmę w stanie wysokiej temperatury przez ok. 30 sekund. TReaktor ITER – budowany obecnie przez Unię Europejską, Japonię, Rosję, USA, Chiny, Koreę Południową i Indie reaktor ITER – powinien umożliwić praktyczne wykorzystanie energii syntezy jader.

Słowniczek

Zadanie podsumowujące moduł