Reakcje termojądrowe - Zintegrowana Platforma Edukacyjna

Na wykresie zależności właściwej energii wiązania przewidziano drugi typ reakcji jądrowych (inny niż rozszczepienie), w których wydzielana jest energia. Są to reakcje syntezy. Polegają one na tym, że z połączenia lekkich jąder powstają jądra pierwiastków cięższych. W tym rozdziale przeczytasz, jak doprowadzić do takiej reakcji, dlaczego jej wydajność jest większa, niż wydajność reakcji rozszczepiania i czemu synteza jądrowa nie stała się jeszcze powszechnie wykorzystywanym źródłem energii.

RVO6SkHyaWCuc

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 pojemnika, od którego z lewej strony odchodzi system rur. Rusztowania wokół pozwalają ocenić wysokość maszyny na co najmniej osiem metrów. — Reakcje zachodzące w sposób naturalny we wnętrzu Słońca ludzkość próbuje odtworzyć na kilka sposobów, m.in. poprzez magnetyczne uwięzienie plazmy w urządzeniach zwanych tokamakami.
Źródło: Michel Maccagnan, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org [dostęp 30.05.2022], licencja: CC BY-SA 3.0.

Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia

definicja promieniowania jądrowego;
rodzaje promieniowania jądrowego;
właściwości promieniowania alfa, beta i gamma;
definicja izotopu promieniotwórczego;
wpływ promieniowania jonizującego na organizm ludzki;
ogólny schemat reakcji rozszczepienia jądra atomowego;
na czym polega łańcuchowa reakcja rozszczepienia;
budowa i działanie reaktora jądrowego;
korzyści płynące z energetyki jądrowej;
budowa i funkcjonowanie elektrowni jądrowej.

Ich opracowanie znajdziesz materiałach:

Dlaczego jądro jest trwałe – deficyt masy i energia wiązaniaDA1eWUtdcDlaczego jądro jest trwałe – deficyt masy i energia wiązania,
Promieniowanie jądrowe alfa, beta i gammaDKUi7BojuPromieniowanie jądrowe alfa, beta i gamma,
Przemiany jądroweD5AZrZPicPrzemiany jądrowe,
Reakcje jądroweD8AxKErDXReakcje jądrowe,
Zastosowanie promieniowania jądrowego i energii jądrowejDu9JXJMCyZastosowanie promieniowania jądrowego i energii jądrowej,
Działanie elektrowni jądrowejD2WueFLpGDziałanie elektrowni jądrowej.

Nauczysz się

zapisywać reakcje syntezy jąder atomowych;
opisywać warunki, w jakich można doprowadzić do połączenia się dwóch jąder;
wymieniać reakcje termojądrowe jako źródła energii gwiazd.

Reakcja syntezy jąder atomowych

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

R1U3k5xPKRAYg

Na ilustracji widać dwa wykresy. Oba znajdują się w pierwszej ćwiartce, z osią poziomą podpisaną przy grocie jako duże A i osią pionową podpisaną przy grocie duże E z indeksem dolnym wu w liczniku podzielone przez duże A, MeV. Na pierwszym wykresie połączone czerwoną linią punkty: punkt (0,0) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu duże ha, o liczbie masowej jeden i liczbie atomowej zero; punkt (2,1) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu duże ha, o liczbie masowej dwa i liczbie atomowej jeden; punkt (3, trochę poniżej 3) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu duże ha, o liczbie masowej trzy i liczbie atomowej dwa; punkt (4,7) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu He, o liczbie masowej cztery i liczbie atomowej dwa; punkt (6,5) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Li, o liczbie masowej sześć i liczbie atomowej trzy; punkt (8, trochę poniżej 8) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Be, o liczbie masowej osiem i liczbie atomowej cztery; punkt (10, trochę poniżej 7) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu duże be, o liczbie masowej dziesięć i liczbie atomowej pięć; punkt (12, trochę poniżej 8) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu duże ce, o liczbie masowej dwanaście i liczbie atomowej sześć; punkt (14,7) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu duże en, o liczbie masowej czternaście i liczbie atomowej siedem; punkt (16,8) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu duże o, o liczbie masowej szesnaście i liczbie atomowej osiem; punkt (18, około 7 i pół) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu duże o, o liczbie masowej osiemnaście i liczbie atomowej osiem; punkt (20, trochę ponad 8) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Ne, o liczbie masowej dwadzieścia i liczbie atomowej dziesięć; punkt (22, trochę poniżej 8) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Ne, o liczbie masowej dwadzieścia dwa i liczbie atomowej dziesięć; punkt (24, prawie 8 i pół) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Mg, o liczbie masowej dwadzieścia cztery i liczbie atomowej dwanaście; punkt (28, około 8 i pół) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Si, o liczbie masowej dwadzieścia osiem i liczbie atomowej czternaście. Na drugim wykresie połączone czerwoną linią punkty: (trochę poniżej 60, trochę powyżej 9) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Ni, o liczbie masowej sześćdziesiąt; (trochę powyżej 60, trochę powyżej 9) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Cu, o liczbie masowej sześćdziesiąt trzy i liczbie atomowej dwadzieścia dziewięć; (trochę powyżej 90, trochę poniżej 9) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Mo, o liczbie masowej sześćdziesiąt dziewięć; (140, około 8 i pół) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Nd, o liczbie masowej sto czterdzieści cztery; (około 190, trochę powyżej 8) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu duże wu, o liczbie masowej sto osiemdziesiąt trzy; (trochę poniżej 210, trochę poniżej 8) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu Pb, o liczbie masowej dwieście osiem; (trochę poniżej 240, trochę powyżej 7 i pół) podpisany jako pierwiastek chemiczny o symbolu duże U, o liczbie masowej dwieście trzydzieści pięć i liczbie atomowej dziewięćdziesiąt dwa. — Średnia energia wiązania przypadająca na jeden nukleon. Wykres a) reprezentuje obszar jąder lekkich, natomiast wykres b) – obszar jąder ciężkich
Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

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.

**Energia wiązania w jądrach lekkich przypadająca na jeden nukleon**
Jądro	$E_\mathrm{wiązania}\,\left[\mathrm{MeV}\right]$	${\large\frac{E_\mathrm{wiązania}}{\mathrm{nukleon}}}\,\left[\mathrm{MeV}\right]$
${}_{1}^{1}H$	–	–
${}_{1}^{2}H$	$2,22$	$1,11$
${}_{1}^{3}H$	$8,47$	$2,82$
${}_{2}^{3}{He}$	$7,72$	$2,57$
${}_{2}^{4}{He}$	$28,30$	$7,08$
${}_{3}^{7}{Li}$	$37,95$	$5,42$
${}_{6}^{12}C$	$92,20$	$7,68$

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 ${}_{2}^{4}{He}$ wielokrotnie przewyższa energię w jądrze deuteru ${}_{1}^{2}H$ .

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}H + {}_{1}^{2}H \to {}_{2}^{3}{He} + n

Ilość wydzielanej energii podczas takiej reakcji wynosi ok. $3, 25 MeV$ .

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

{}_{1}^{2}H + {}_{1}^{2}H \to {}_{1}^{3}H + p + 4, 03 MeV

lub

{}_{1}^{2}H + {}_{1}^{3}H \to {}_{2}^{4}{He} + n + 17, 6 MeV

Podczas syntezy jądra trytu i deuteru (ostatni schemat) zostaje uwolniona energia która, w przeliczeniu na nukleon, czterokrotnie przewyższa energię uzyskaną z rozszczepienia jądra uranu ${}^{238}U$ .

R1HPkSFTQmOLi

Reakcja syntezy jądra deuteru i trytu w jądro helu
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

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. $10^{- 15} m$ ). 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: $T \approx 10^{7} K$ . 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 ona wkład energetyczny niezbędny do wywołania reakcji, temperatura próbki materiału powinna być jeszcze wyższa i wynosić co najmniej $35 \cdot 10^{7} K$ . 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 plazma (plazma termojądrowa)gorącej plazmy, lecz także odizolowania jej od otoczenia. Wieloletnie próby uzyskania korzystnego bilansu energetycznego fuzji termojądrowej nie przyniosły pomyślnych rezultatów. Dotychczas żadnemu z ośrodków prowadzących nad nią badania nie udało się wytworzyć większej ilości energii niż ta, którą należało dostarczyć w celu podtrzymania przebiegu reakcji.

Polecenie 1

Wymień różnice między uzyskiwaniem energii podczas spalania np. węgla a uzyskiwaniem jej w reakcji łączenia się jąder pierwiastków (syntezy).

R1AL1oYuXG6R4

Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

Skąd pochodzi energia słoneczna?

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

RisY35axaKDKv

Na ilustracji przedstawiony jest schemat reakcji syntezy, zachodzącej na Słońcu. Dwa jądra wodoru składające się każde z jednego protonu (pojedyncze czerwone kulki) łączą się z wytworzeniem pozytonu (szara kulka), neutrina i jądra deuteru, składającego się z neutronu (zielona kulka) i protonu (czerwona kulka). Jądro deuteru (deuteron) wchodzi w reakcję z wodorem, emitując foton gamma oraz jądro helu (dwie czerwone kulki i jedna zielona). Hel wchodzi w reakcję z innym helem, wytwarzając dwa jądra wodoru i jądro cięższego helu‑cztery (dwie zielone i dwie czerwone kulki). W tle zdjęcie Słońca. — Reakcje termojądrowe są źródłem energii słonecznej
Źródło: NASA Goddard Photo and Video, edycja: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, dostępny w internecie: https://www.flickr.com, licencja: CC BY 2.0.

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

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

${}_{1}^{1}H + {}_{1}^{2}H \to {}_{2}^{3}{He} + 5, 49 MeV$

${}_{2}^{3}{He} + {}_{2}^{3}{He} \to {}_{2}^{4}{He} + 2 \cdot {}_{1}^{1}H + 12, 85 MeV$ ( $1951$ 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 ${}_{1}^{2}H$ powstałe w pierwszej reakcji nazywa się deuteronem (od nazwy izotopu wodoru – deuteru).

RbFHdMOGYmzLZ

Cykl protonowo‑protonowy
Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Polecenie 2

Po połączeniu dwóch jąder deuteru ${}_{1}^{2}H$ powstają izotop helu ${}_{2}^{3}{He}$ oraz pewna cząstka. Jak się ona nazywa?

R1bthdi6cV0de

Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

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 $TNT$ megatona TNT (MT)megaton $TNT$ (trójnitrotoluenu), czyli $50$ milionów ton trotylu.

R1WOhTisr9Zm3

Na czarnobiałym zdjęciu widoczny jest grzyb atomowy. — Pierwsza brytyjska próba bomby wodorowej, przeprowadzona na Wyspie Bożego Narodzenia
Źródło: Royal Air Force, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org [dostęp 28.07.2022], domena publiczna.

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 ${}^{238}U$ , co dodatkowo zwiększa efektywną moc bomby.

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

R15RJEtYpw9Ab

Na ilustracji Białe tło. Na środku prostokąt o dłuższym boku pionowym, z mocno zaokrągloną górną częścią. W zaokrąglonej części kółko, z narysowanymi wewnątrz niego czterema kolejnymi, różnokolorowymi kółkami - podpisane jest jako bomba atomowa. Poniżej niej, przerywana pozioma linia przebiegająca wszerz całego prostokąta. Nad linią podpis: stopień pierwszy, pod nią podpis: stopień drugi. W części pod przerywaną linią narysowany prostokąt rozszerzający się u góry, podpisany jako płaszcz uranowy. Wewnątrz niego kolejny prostokąt, podpisany: symbol deuterku litu (sześć w indeksie górnym , duże el, małe i, duże de) - paliwo do fuzji. Przez prostokąt przebiega pionowy pasek, podpisany jako pluton (zapalnik). — Konstrukcja bomby wodorowej
Źródło: Dake, Fastfission, Ireneusz Benzar, edycja: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org [dostęp 31.05.2022], licencja: CC BY-SA 3.0.

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 $1956$ roku. Obecnie największy tokamak o nazwie JET (a ang. Joint European Torus) pracuje w Wielkiej Brytanii i służy do przygotowania pracy reaktora ITERITERITER.

RaNCunWLvi2kN

Budowa reaktora termojądrowego
Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

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. Powstaje na południu Francji, a jego rozruch planowany jest na rok $2025$ .

Polecenie 3

W jakiej formie wyzwalana jest energia w reakcji termojądrowej? Zastanów się nad odpowiedzią.

R1EuO5z0uIyEV

Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

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):
- ${}_{1}^{2}H + {}_{1}^{2}H \to {}_{2}^{3}{He} + n + 3, 25 MeV$
- ${}_{1}^{2}H + {}_{1}^{2}H \to {}_{1}^{3}H + p + 4, 03 MeV$
- ${}_{1}^{2}H + {}_{1}^{3}H \to {}_{2}^{4}{He} + n + 17, 6 MeV$
Żeby zaszła reakcja syntezy, energia kinetyczna jąder musi być na tyle duża, aby pokonać siły odpychania kulombowskiego. Ponadto temperatura musi wynosić ok. $10^{7} K$ , co sprawia, że takie reakcje nazywamy reakcjami termojądrowymi.
W reakcjach syntezy jądrowej masa krytyczna nie ma znaczenia.
Do przeprowadzenia reakcji termojądrowej potrzebna jest duża ilość 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.
- ${}_{1}^{1}H + {}_{1}^{1}H \to {}_{1}^{2}H + e^{+} + neutrino elektronowe + 1, 44 MeV$
- ${}_{1}^{1}H + {}_{1}^{2}H \to {}_{2}^{3}{He} + 5, 49 MeV$
- ${}_{2}^{3}{He} + {}_{2}^{3}{He} \to {}_{2}^{4}{He} + 2 \cdot {}_{1}^{1}H + 12, 85 MeV$
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 termojądrowych np. w tokamakach. Nie udało się jednak przeprowadzić takiej reakcji korzystnej energetycznie (reaktor zużywa więcej energii niż jej wytwarza). Na koniec $2021$ r., w chińskim EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), udało się osiągnąć rekordowy wynik czasu utrzymania plazmy w stanie wysokiej temperatury, wynoszący $1056$ sekund. Reaktor ITER – budowany obecnie na południu Francji przez Unię Europejską, Japonię, Rosję, USA, Chiny, Koreę Południową i Indie – powinien umożliwić praktyczne wykorzystanie energii syntezy jader.

Polecenie 4

Najpierw mówiliśmy o otrzymywaniu energii z reakcji rozpadu, a teraz opisujemy otrzymywanie energii w reakcji syntezy jądrowej. Dlaczego w dwóch przeciwstawnych reakcjach jesteśmy w stanie uzyskiwać energię? Która z tych reakcji jest wydajniejsza, jeśli chodzi o uzyskiwanie energii? Zastanów się nad odpowiedzią. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.

RJQyKtCwiG4yW

Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 1

Z jądra deuteru i jądra ${}^{3}{He}$ w reakcjach syntezy możemy otrzymać jądro ${}^{4}{He}$ . Zapisz tę reakcję i oblicz wartość wydzielanej energii.

R1S5q5A2XidIv

Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

$^{2}\mathrm{H}+^{3}\mathrm{He}\rightarrow^{4}\mathrm{He}+^{1}\mathrm{n}+\text{energia}$

$28,30\,\mathrm{MeV}-7,72\,\mathrm{MeV}-2,22\,\mathrm{MeV}=18,36\,\mathrm{MeV}$

$^{2}\mathrm{H}+^{3}\mathrm{He}\rightarrow^{4}\mathrm{He}+^{1}\mathrm{n}+18,36\,\mathrm{MeV}$

Polecenie 5

Reakcje termojądrowe zachodzą wewnątrz Słońca i produkują duże ilości promieniowania gamma. Dlaczego w promieniowaniu wychodzącym z powierzchni Słońca przeważa promieniowanie widzialne? Zastanów się nad odpowiedzią. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.

RH6s3N150Vpuj

Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

Maksimum promieniowania wypada dla widma widzialnego dzięki powstawaniu w fotosferze jonów wodoru $\mathrm{H^{-}}$ . Gdy elektrony przyłączają się do atomów wodoru, emitowane są kwanty gamma o energiach w zakresie od $0,75$ do $4,0\,\mathrm{eV}$ (w tym przedziale zawiera się światło widzialne).

Polecenie 6

Znajdź i przeczytaj informacje o budowie tokamaków oraz projekcie ITER. Być może już niedługo będzie można korzystać z energii produkowanej przez te urządzenia. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.

R1c1UFtXUUhsA

Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

Zadanie podsumowujące moduł

R1UxuwaR22xU2

Ćwiczenie 2

Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

Słownik

bomba wodorowa (bomba termojądrowa)

zapalnikiem bomby wodorowej jest bomba jądrowa umieszczona wewnątrz masy reagującej – deuterku litu. Aby zwiększyć moc wybuchu bomby termojądrowej, jej wsad jest pokryty dodatkową warstwą uranu ${}^{238}U$ ; wybuch bomby jądrowej stwarza warunki, w których może dojść do lawinowej (niekontrolowanej) reakcji syntezy termojądrowej.

cykl protonowo‑protonowy

cykl reakcji termosyntezy zachodzących na Słońcu; proces, w wyniku którego z jąder izotopów wodoru powstają jądra helu, czemu towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii.

gorąca plazma (plazma termojądrowa)

całkowicie zjonizowany gaz o temperaturze sięgającej kilku milionów kelwinów, w którym mogą zachodzić reakcje syntezy termojądrowej.

ITER

międzynarodowy projekt badawczy, którego celem jest uruchomienie eksperymentalnego reaktora termonuklearnego (tokamaka). Ma to być pierwsze urządzenie, w którym zostanie uzyskany dodatni bilans energetyczny, tj. ilość wyprodukowanej energii uzyskanej w cyklu jego pracy ma przekroczyć ilość energii zużytej na podtrzymanie kontrolowanej reakcji syntezy jądrowej, która według założeń powinna produkować $500\,\mathrm{MW}$ mocy w $400$ -sekundowym impulsie. Reaktor ma być uruchomiony w $2025$ roku.

megatona TNT (MT)

milion ton trotylu (TNT); energia bomby o mocy $1 MT$ odpowiada ilości energii powstałej podczas wybuchu miliona ton trotylu.

neutrino elektronowe

cząstka obojętna elektrycznie, która nie posiada masy spoczynkowej; towarzyszy emisji elektronu w procesie rozpadu beta.

plazma

niemal całkowicie zjonizowany gaz; ze względu na swoje własności nazywany jest czwartym stanem skupienia materii.

reakcja syntezy jądrowej

reakcja polegająca na łączeniu dwóch jąder atomowych w jedno. Powstałe jądro ma mniejszą masę od sumy mas jąder, z których zostało utworzone, i jednocześnie większą energię wiązania od energii wiązania każdego z jąder biorących udział w reakcji. Kosztem różnicy mas (deficyt masy) wydziela się ogromna energia, m.in. w postaci promieniowania gamma.

reakcja termojądrowa

reakcja syntezy jądrowej, która może zachodzić tylko w bardzo wysokiej temperaturze.

tokamak

rodzaj reaktora termojądrowego o toroidalnej komorze wyładowań.