核融合の要件？

あなたが偶然見つけたのは、多くの人を困惑させたのと同じパズルです。 20世紀初頭の天体物理学者。あなたが引用する「1億度」の数字は、確かに、プラズマのかなりの部分が古典的なクーロン障壁を克服することによって融合反応を起こすことができる温度です。しかし、太陽のコアが水素を融合することはわかっています。では、なぜそれが本来よりも寒いのですか？答えは密度と量子トンネリングに関係しています。

数百万度に加熱されたプラズマを閉じ込めることは非常に難しいことがわかりました。このように、地上核融合装置では、一度に少量の低密度プラズマしか閉じ込めることができないため、意味のあることを行うには、そのほとんどが になるまで加熱する必要があります。核融合。

しかし、太陽はプラズマを閉じ込めるのに問題はありません。それは重力で、楽にそうします。このように、プラズマのほとんどが融合しているかどうかは特に気にしません。なぜなら、結局のところ、プラズマの不足はなく、非常に高密度で何があるのかということです。プラズマのごく一部だけが核融合に適切なエネルギーである必要があります。どの温度でも、粒子の確率分布に常に高エネルギーのテールがあります。運動エネルギーの場合、より低い温度でも、重力収縮を相殺するのに十分なプラズマ核融合が存在する可能性があるのは当然です。

しかし、実際に調べてみると、マクスウェル-ボルツマン分布の1500万度の尾部には、「古典的なクーロン障壁を克服するのに十分な高エネルギーで十分なものがまだありません。この時点で、天体物理学者はあなたがそうしないことに気づきました」。実際には、古典的なクーロン障壁を克服する必要があります。あなたはそれの最後のビットを単に量子トンネルすることができます。どんな単一の衝突でも、これはめったに起こりませんが、太陽の中心の密度はそれが不足を補うのに十分に高く、太陽がそのような低温でそれ自身をどのように維持することができるかを説明します。

理論的には、融合はどの温度でも発生する可能性があります。室温でも発生します。その場合の確率は指数関数的に小さいというだけです（神秘的に小さいのように、$ 10 ^ {1000} $以上の確率を意味します;古代人が推測していた種類の数値不思議と畏怖の念、そして実際に観察できるものの現実的な数ではありません。）

この理由は、原子核が基本的に2つの力のバランスであるためです。1つは束を持つことから生じる静電力です。正の電荷（陽子）が隣り合ってぶら下がっていて、これは物を吹き飛ばそうとしますが、もう1つは残留強い力であり、範囲ははるかに短くなります（つまり、分離が増えると急激に減衰します）。このバランスの上に弱い力があり、バランスが取れていないときに陽子と中性子の数を他の原子核に変換することで、陽子と原子核の数の比率のバランスをある程度維持します（ベータプラスとベータマイナスの減衰）これは最後です力は他の2つよりもはるかに弱いです。

核融合を得るには、関与する核を十分に近づけて、残留する強い力が静電力を超えてそれらを押し離そうとすることです。そして、これには、静電力に対して多くの作業を行うか、量子トンネリングを行う必要があります。特に、原子内の原子核の周りにぶら下がっている電子と同じように、各原子核にはその位置の波動関数があります。それらの位置は完全には明確に定義されておらず、その波動関数は、分離した場合でも、2つの原子核が融合するのに十分近い領域にまで広がります。つまり、次の時間までに実際に融合した可能性があります。測定”。 （大まかに言って、放射性崩壊の仕組みは同じです。一部の核粒子の波動関数は、ある程度の確率で粒子が離れるのを検出できるほど十分に核の外側に広がっています。したがって、ガイガーカウンターなどの測定器でそれらを拾うことができます。）

これらを近づけると、波動関数がより高い振幅の領域にヒットするようになり、確率が高くなるため、融合の可能性が高くなります。もちろん、問題は「その静電反発力に対抗して作業しているため、それらを十分に確実に近づけるには、それらを一緒に駆動するために多くの力が必要ですが、トンネル効果のために、あなたほどではありません」。これらの純粋なニュートン粒子が必要でした。

そして、どのようにしてより多くの力を生成しますか？ 2つの方法があります。1つは温度を上げて動きを速くし、運動エネルギーによって近づける方法、もう1つは圧力を上げて密度を上げて機械的に近づける方法です。反応器、圧力は非常に低く、ほぼ真空であるため、作業する必要があるのは温度だけです。したがって、100 MK以上（メガケルビン、または数百万）などの非常に高い必要があります。ケルビンの、ここでは、ケルビン/セルシウスのオフセットが無視できるので、C度に相当します）。しかし、お気づきのように、太陽の中心部の温度は15MKと低くなっています。それで、それが機能することができる理由は、それがはるかに多くの圧力（30 PPa以上）を持っているからです。それは「地球の大気の圧力の約3000億倍、そして1億倍です」地球の海の最深部（マリアナ海溝）での圧力。 100 MK +の温度で核融合炉にそのような圧力がかかった場合、それはH爆弾になります-そしてそれがまさに（温度に加えて）H爆弾を作るために核融合爆弾が必要な理由です：それ燃料を必要な温度に加熱するだけでなく、劇的に圧縮します。

さらに指摘すべき要素は、太陽のコアと核融合炉またはH爆弾がまったく同じではないことです。彼らが使用する反応の例：人工の原子炉と爆弾は重水素核融合または重水素-トリチウム（DT）核融合を使用し、太陽は一般的な水素によって燃料を供給される陽子-陽子（PP）サイクルを使用します。核と、あまり一般的ではない重水素、つまり1つの陽子と1つの中性子。2つの陽子を融合することは非常に困難です。1つの陽子と別の陽子は安定していない（高い反発力）が、陽子と陽子は安定している唯一の方法です。核融合が起こる可能性があるのは、弱い力の相互作用が同時にトリガーされて、最終的に重水素になる場合です。 1つを中性子に変換し（核融合と同時にベータマイナス崩壊）、その両方と必要なトンネリングの確率は確かに非常に小さいです。したがって、太陽の強力な核融合条件でも、実際の核融合率は人工原子炉の核融合率と比較しても非常に低く、爆弾よりもはるかに低くなっています（爆弾のような核融合率は em>は自然界で発生しますが、水素星ではなく、チャンドラセカール限界以下に圧縮されて崩壊し始めるまで、恒星の伴星から物質を降着させる炭素酸素（または同様の）白色矮星です。これが発生すると、炭素が発生します。酸素は爆弾レベルで融合し、爆弾が非常に多くのエネルギーでのみ爆発するのと同じように、（CO燃料は水素および/または重水素/重水素-三リチウム燃料よりもエネルギーが少ないですが）存在するため、全体が爆発します。爆発はタイプIa超新星と呼ばれ、かなり均一な明るさを持っているため、いわゆる「標準矮星」として使用して、深宇宙の銀河などの遠隔物体までの距離を見つけることができます。したがって、私たちの宇宙研究にとって非常に重要です。）

あなたはlikeとlikeを比較していません。太陽の核融合は非常に非効率的であり、これらの温度で1立方メートルあたりわずか250ワットを生成します。

核融合が地上のエネルギー源として実行可能であるためには、はるかに迅速に進行する必要があるため、より高い温度が必要です。 。

コメント

• 効率について両方を比較しているのではなく、太陽が1億度のときに1500万度で核融合を達成する方法を比較しています。プロセスに必要なのは、太陽の質量や重力がこれを行うコアを圧縮しているためだと私が調査できることからです。
• @ C.Jordanより具体的にする必要があります。とにかく進むには、どのようなプロセスが1億度必要だと思いますか？水素核融合は、十分に長く閉じ込めることができれば、1500万よりもさらに低い温度で地球上で発生しますが、有用な速度では発生しません。
• @ C.Jordan、100Mはほぼ必要なものです<地上発電所でのi>有用な生産率。 15Mでの生産はまだ最小限ですが、その量は少なすぎて気になりません。 ' 100Mが生産を開始するゲートとは異なります。
• おそらく_誰かの答えが言うように、それでも量子トンネリングが必要です。

自立した核融合燃焼の場合、エネルギー分析の結果、いわゆる自立核融合燃焼（点火）に必要な条件であるローソン基準、$$ n \ tau \ geq L \ left（T \ right）\ ,, $$ここで、$ n $はプラズマ密度、$ \ tau $はエネルギー閉じ込め時間です。

右側は温度の関数です$$ L \ left（T \ right）= \ frac {12 k_B T} {E _ {\ text {ch}} \ left < \ sigma v \ right >} $$ where $ E _ {\ text { ch}} $は核融合反応の荷電生成物のエネルギー、$ \ sigma $は核融合反応の断面積であり、使用する核反応の種類（H + H、D + Tなど）に大きく依存します。

特定の核反応については、$ L \ left（T \ right）$最適な動作点である最小値（反応断面積$ \ sigma $が最大化される場所）があります。反応D + Tにより、最小点（この場合は$ \ sim {10} ^ {8} \、\ mathrm {K} $）で可能な限り最小の$ L \ left（T \ right）$を達成できることがわかります。 ）。したがって、D + T反応と$ {10} ^ {8} \、\ mathrm {K} $温度は、今日、この核融合反応を使用して、核融合装置（慣性閉じ込め核融合、つまり武器を含む）の設計で主に考慮されています。温度は、自立核融合（または点火）を達成するための最も簡単な条件になります。

ただし、システムサイズが大きい場合、閉じ込め時間$ \ tau $が非常に長くなり、自立核融合が発生する可能性があります。燃焼はD + T以外の核融合反応を使用して達成でき、必ずしも対応する関数$ L \ left（T \ right）$の最小点で動作するとは限りません。

したがって、太陽と現在人間が設計した核融合装置は、太陽のサイズが大きいため、エネルギー生成率の低い核融合反応を使用して自立した核融合燃焼を実現できるというものです。

コメント

• 太陽を実際に説明するには量子トンネリングが必要です'コア
• @anna vつまり、核融合断面積を正確に計算するには、量子トンネリングを考慮する必要があります。 'は問題ありません。しかし、断面積はまだ小さいので、より小さなシステムの場合、この温度で点火するのに十分ではありません。したがって、重要な物理学は、システムのサイズが大きいため、エネルギー損失の速度を核融合エネルギーの生成速度よりも小さくできることです。

Pribably_someone “の答えは問題ありません。コメントがあるので、メカニズムを理解するのに役立つリンクをここに追加したいだけです。警告なしに消える可能性があります。

核融合を実現するには、関与する粒子が最初に電気的反発を克服して、魅力的な核の強い力に十分近づく必要があります。粒子を融合するために引き継ぐために。これは非常に高い温度を必要とします。プロセスで温度のみを考慮した場合星のプロトンサイクルの場合、この障壁はトンネリングによって貫通され、プロセスを可能にします。実験室で達成可能な圧力で必要とされる温度よりも低い温度で進行する。

イタリック鉱山

平均熱エネルギーをクーロン障壁に等しく設定して得られた融合温度は、高い温度にある粒子によって融合が開始される可能性があるため、温度が高すぎます。粒子エネルギーのマクスウェル分布のエネルギーテール。クーロン障壁より下のエネルギーを持つ一部の粒子が障壁を通り抜けることができるという事実によって、臨界発火温度はさらに低下します。