Nukleáris fúziós követelmények?

Amibe éppen belebotlottál, ugyanaz a rejtvény, amely sokakat elkábított asztrofizikusok a 20. század elején. Az általad idézett “100 millió fokos” adat valóban az a hőmérséklet, amelyen a plazma jelentős része fúziós reakciókat képes végrehajtani a klasszikus Coulomb-gát legyőzésével. De tudjuk, hogy a Nap magja összeolvasztja a hidrogént, akkor miért hidegebb, mint kellene? A válasz a sűrűséghez és a kvantumcsatornázáshoz kapcsolódik.

Kiderült, hogy milliókra hevített plazma korlátozása meglehetősen nehéz. Mint ilyen, a földi fúziós eszközökben egyszerre csak kis mennyiségű alacsony sűrűségű plazmát korlátozhatunk, és így bármi értelmes cselekvéshez addig kell hevítenünk, amíg a legtöbb olvadás.

A Napnak azonban nincs gondja a plazma behatárolásával; ezt könnyedén, gravitációval teszi. Mint ilyen, nem különösebben érdekli, ha a plazma zöme je összeolvad, mert végülis nincs hiány, és mi van nagyon nagy sűrűségben. tartsa magát égve, csak a plazma kis részének kell megfelelő energiával rendelkeznie a fúzióhoz. Mivel bármilyen hőmérsékleten mindig nagy energiájú farok lesz a részecskék valószínűségi eloszlásához kinetikus energiák, ésszerű, hogy még hűvösebb hőmérsékleten is elegendő plazma összeolvadhat a gravitációs kontrakció ellensúlyozására.

De kiderült, hogy ha valóban megvizsgálja a A Maxwell-Boltzmann 15 millió fokos eloszlásának farka még nem “van elég anyag elég magas energiával ahhoz, hogy legyőzze a klasszikus Coulomb-akadályt. Ezen a ponton jöttek rá az asztrofizikusok arra, hogy nem” nem kell legyőznie a klasszikus Coulomb akadályt; egyszerűen kvantumalagúton lehetne átjutni az utolsó darabon. Bármely ütközés során ez csak ritkán fordul elő, de a Nap magjában a sűrűség elég nagy ahhoz, hogy pótolja a hiányt, és elmagyarázza, hogy a Nap hogyan képes feltartani magát ilyen alacsony hőmérsékleten.

A fúzió elméletileg bármilyen hőmérsékleten, akár szobahőmérsékleten is előfordulhat! Csak annyi, hogy a valószínűség ebben az esetben exponenciálisan csekély (mint például misztikusan kicsi ben, azaz 10 $ {1} 1000 $ vagy annál nagyobb esélyekkel; olyan számokkal, amelyekkel az ókori emberek spekuláltak csodálkozás és félelem, és nem reális számok a ténylegesen megfigyelhető dolgokról.).

Ennek az az oka, hogy az atommag alapvetően egyensúly két erő között: az egyik az elektrosztatikus erő, amely egy csomónak köszönhető. a pozitív töltések (a protonok) egymás mellett lógnak, és ez megpróbálja szétfújni a dolgot, a másik a maradék erős erő, amely sokkal rövidebb hatótávolságú (vagyis a növekvő elválasztással sokkal gyorsabban esik le), de általában sokkal erősebb, és megpróbálja összetartani. Ezen egyensúly tetején található a gyenge erő, amely bizonyos mértékű egyensúlyt tart fenn a protonok és a neutronok számarányában azáltal, hogy egyeseket átalakít a másikba, ha azok nincsenek egyensúlyban ( béta-plusz és béta-mínusz bomlások). Ez az utolsó az erő sokkal gyengébb, mint a másik kettő.

A fúzió eléréséhez tehát az kell, hogy az érintett magokat elég közel hozza ahhoz, hogy a maradék erős erő meghaladja az elektrosztatikus erőt, és megpróbálja őket széttolni.Ehhez vagy nagyon sok munka szükséges az elektrosztatikus erő ellen, vagy a kvantumcsatornázás – különösen, minden egyes magnak van egy hullámfüggvénye a helyzetére nézve, ahogyan az atom körül a mag körül lógó elektronok helyzetük nincs teljesen pontosan meghatározva, és ez a hullámfüggvény még szétválasztáskor is kiterjed arra a régióra, ahol a két mag elég közel van ahhoz, hogy összeolvadjon, ami azt jelenti, hogy valószínű, hogy a következő időpontra valóban összeolvadt volna ” mérés”. (Nagyjából ugyanígy működik a radioaktív bomlás is – egyes magrészecskék hullámfüggvénye eléggé kiterjed a magon kívülre, hogy bizonyos valószínűséggel észrevehesse a távozó részecskéket. És így olyan mérővel veheti fel őket, mint a Geiger-számláló.)

Most, amikor közelebb kerülsz egymáshoz, megkaphatod a hullámfüggvényeket, hogy gyakrabban érjék el a nagyobb amplitúdójú és így nagyobb valószínűségű régiókat, és ezáltal nagyobb esélyeket kapnak a fúzióra. A baj természetesen az, hogy “az elektrosztatikus taszítás ellen dolgozol, és így ahhoz, hogy elég megbízhatóan jussanak közel egymáshoz, nagy erőre van szükséged ahhoz, hogy összefogd őket, de az alagút hatása miatt nem annyira, mint te” Szüksége volt ezekre a tisztán newtoni részecskékre. Kétféle módja van: az egyik a hőmérséklet növelése, gyorsabb mozgás és mozgási energiájuk révén közelebb kerülése, a másik pedig a nyomás növelése, a sűrűség növelésével mechanikusan közelebb tolva őket egymáshoz. reaktor nyomásai nagyon alacsonyak – szinte vákuumok, és ennek eredményeként nagyjából az egyetlen dolog, amellyel dolgozni kell, a hőmérséklet, és ennek ezért nagyon magasnak kell lennie, pl. 100 MK vagy több (ez megakelvin, vagy millió a kelvinek értéke itt egyenlő C fokkal, mivel a Kelvin / Celsius eltolás elhanyagolható). A Nap azonban, amint észrevette, a magjában alacsonyabb hőmérséklet, 15 MK. Tehát azért képes működni, mert sokkal több nyomása van – több mint 30 PPa -, amely a Föld légkörének nyomása körülbelül 300 milliárdszorosa, és 100 milliószor nagyobb a nyomás a Föld óceánjának legmélyebb részein (a Marianas-árok). Ha egy ilyen fúziós reaktorban 100 MK + hőmérsékleten lenne ilyen nyomása, az H-bombává válna – és éppen ezért (a hőmérséklet mellett) hasítási bombára van szüksége egy H-bomba felépítéséhez: nem csak az előírt hőmérsékletre melegíti az üzemanyagot, hanem drámai módon összenyomja.

További kiemelendő tényező a Nap magja és a fúziós reaktor vagy a H-bomba nem teljesen ugyanaz az általuk használt reakciónak: egy ember által készített reaktor és bomba deutériumfúziót vagy deutérium-trícium (DT) fúziót használ, míg a Nap a proton-proton (PP) ciklust használja, amelyet közös hidrogén táplál, azaz egy protont csak a mag, szemben a ritkábban előforduló deutériummal, azaz egy protonnal és egy neutronnal. Két protont egyesíteni nagyon nehéz, mert az egyik proton a másikkal nem stabil (magas taszítás), de a proton és a neutron az, és az egyetlen módja a proton-proton a fúzió akkor fordulhat elő, ha a gyenge erő-kölcsönhatás egyszerre vált ki, hogy deutériumot kapjon az egyik átalakítása neutronrá (béta-mínusz bomlás egybeesik a fúzióval), és mindkettő valószínűsége, hogy ÉS az előírt alagutazás valóban nagyon kicsi. Tehát a Nap erőteljes fúziós körülményei mellett a fúziós ráta még az ember által készített reaktorban lévőkhöz képest is nagyon alacsony, és jóval sokkal alacsonyabb, mint egy bombában. (A bombához hasonló fúziós sebesség képes előfordulnak a természetben – de nem hidrogéncsillagokkal, hanem inkább szén-oxigén (vagy hasonló) fehér törpékkel, akik a csillag társától kapnak anyagot, amíg Chandrasekhar határértékük alá nem nyomódnak és összeomlani kezdenek. Amikor ez megtörténik, a szén és az oxigén biztosíték a bomba szintjén, és az egész ugyanúgy felrobbant, mint egy bomba csak óriási több energiával, a kiszámíthatatlanul több üzemanyag miatt (bár a CO üzemanyag kevésbé energikus, mint a hidrogén és / vagy a deutérium / deutérium-trícium üzemanyag). a robbanást Ia típusú szupernóvának hívják – és meglehetősen egyenletes fényerővel rendelkezik, ami lehetővé teszi, hogy úgynevezett “standard gyertyákként” használják a távoli objektumoktól, például a mély kozmoszban található galaxisoktól való távolság megtalálását, és így döntő jelentőségűek kozmológiai vizsgálataink szempontjából.)

Nem hasonlítasz hasonlót a hasonlóval. A magfúzió a Napban rendkívül hatástalan, mindössze 250 W / köbméter termelődik ezen a hőmérsékleten.

Ahhoz, hogy a magfúzió földi energiaforrásként életképes legyen, sokkal gyorsabban kell haladnia, ezért magasabb hőmérsékletre van szükség. .

Megjegyzések

• A hatékonyság szempontjából nem hasonlítom mindkettőt arra, hogy a nap miként képes elérni a magfúziót 15 millió fokon, amikor 100 millió fok szükséges a folyamathoz, abból tudok kutatni, hogy azért van, mert a nap tömege és / gravitációja összenyomja a magot, ami ezt megcsinálja.
• @ C.Jordan Konkrétabbnak kell lenned. Mit gondolsz, milyen folyamat szükséges 100 millió fokon ahhoz, hogy bármikor tovább haladjon? A hidrogén-fúzió a Földön még 15 milliónál alacsonyabb hőmérsékleten is bekövetkezne, ha elég sokáig korlátozható lenne, de nem olyan sebességgel, amely hasznos lenne.
• @ C.Jordan, 100 M-ra megközelítőleg szükség van hasznos termelési ráta egy földi erőműben. Még mindig minimális lenne a 15M-es termelés, de az összeg túl kicsi ahhoz, hogy zavarjon. ‘ nem tetszik, hogy a 100M egy kapu, amelynél a gyártás megkezdődik.
• kvantumalagútra van szükség még így is, amint azt valószínűleg_valakinek a válasza mondja.

Az önfenntartó magfúziós égéshez az energiaelemzés az úgynevezett Lawson-kritérium , amely az önfenntartó fúziós égés (gyújtás) szükséges feltétele, $$ n \ tau \ geq L \ bal (T \ jobb) \ ,, $$ ahol $ n $ a plazmasűrűség, a $ \ tau $ pedig az energia bezáródási ideje.

A jobb oldal a $$ L hőmérséklet függvénye \ bal (T \ jobb) = \ frac {12 k_B T} {E _ {\ text {ch}} \ left < \ sigma v \ right >} $$ ahol $ E _ {\ text { ch}} $ a fúziós reakció feltöltött termékeinek energiája, $ \ sigma $ pedig a fúziós reakció keresztmetszete, és erősen függ az alkalmazott nukleáris reakció fajtájától, azaz H + H vagy D + T stb.

Minden adott nukleáris reakció esetén $ L \ balra (T \ jobbra) $ lenne egy minimuma (ahol a reakciókeresztmetszet maximalizálva van), amely a legjobb működési pont. Kiderült, hogy a D + T reakció lehetővé teszi a lehető legkisebb $ L \ left (T \ right) $ elérését a minimális pontján ($ \ sim {10} ^ {8} \, \ mathrm {K} $ ebben az esetben ). Ezért a D + T reakciót és a $ {10} ^ {8} \, \ mathrm {K} $ hőmérsékletet manapság főleg a fúziós eszközök (ideértve az inerciális-bezárásos fúziót, azaz a fegyvereket is) tervezésekor veszik figyelembe, amikor ezt a fúziós reakciót használják. A hőmérséklet a legkönnyebb feltételeket nyújtja az önfenntartó fúzió (vagy gyújtás) megvalósításához.

Ha azonban a rendszer mérete nagy, akkor a $ \ tau $ elzárási idő hatalmas lehet, majd az önfenntartó fúzió az égés a D + T-től eltérő fúziós reakciókkal érhető el, és nem feltétlenül a megfelelő $ L \ left (T \ right) $ függvény minimális pontján működik.

Tehát, a legfontosabb különbség a A Nap és a jelenleg ember által tervezett fúziós eszközök az, hogy a Nap nagy mérete lehetővé teszi az önfenntartó fúziós égés elérését alacsony energiatermelési sebességű fúziós reakció segítségével.

Megjegyzések

• kvantumcsatornázás szükséges a nap ‘ magjának valójában való magyarázatához
• @anna v Tehát Ön azt mondja, hogy a fúziós keresztmetszet pontos kiszámításához figyelembe kell vennie a kvantumalagutazást. Ez ‘ rendben van; de a keresztmetszet még mindig kicsi, egy kisebb rendszer esetében nem lenne elegendő meggyulladni ezen a hőmérsékleten; tehát a legfontosabb fizika a rendszer nagy mérete, amely lehetővé teszi, hogy az energiaveszteség sebessége kisebb legyen, mint a fúziós energiatermelés sebessége.

Valószínűleg valakinek a válasza rendben van. Csak szeretnék hozzáadni egy linket , amely hasznos a mechanizmusok megértésében, mivel a megjegyzések figyelmeztetés nélkül eltűnhet.

A magfúzió megvalósítása érdekében az érintett részecskéknek először le kell győzniük az elektromos taszítást, hogy elég közel kerülhessenek a vonzó atomerősséghez Ez rendkívül magas hőmérsékletet igényel, ha csak a hőmérsékletet vesszük figyelembe a folyamatban. A csillagokban lévő protonciklus esetén ezt az akadályt alagút útján keresztül hatolják át, lehetővé téve a folyamatot alacsonyabb hőmérsékleten haladjon, mint ami a laboratóriumban elérhető nyomáshoz szükséges lenne.

dőlt bánya

A fúziós hőmérséklet, amelyet úgy kapunk, hogy az átlagos hőenergiát a coulomb-gáttal megegyezzük, túl magas hőmérsékletet ad, mert a fúziót azok a részecskék indíthatják el, amelyek a magas hőmérsékleten vannak. a részecske energiák Maxwell-eloszlásának energia farka. A kritikus gyulladási hőmérsékletet tovább csökkenti az a tény, hogy néhány részecske, amelynek energiája a coulomb gát alatt van, alagútba tud szállni a gáton.