Διαδικασία σύντηξης
Εισαγωγή
Ο μηχανισμός μέσω του οποίου οι πυρηνικές αντιδράσεις μεταξύ ελαφρών στοιχείων παράγουν βαρύτερα άτομα είναι γνωστός ως πυρηνική σύντηξη (μέχρι σίδηρο). Σημαντικά ποσά ενέργειας παράγονται όταν οι αλληλεπιδρώντες πυρήνες προέρχονται από στοιχεία με χαμηλό ατομικό αριθμό (για παράδειγμα, υδρογόνο [ατομικός αριθμός 1] και τα ισότοπά του δευτέριο και τρίτιο). Το τεράστιο ενεργειακό δυναμικό της πυρηνικής σύντηξης αξιοποιήθηκε αρχικά σε θερμοπυρηνικά όπλα, συχνά γνωστά ως βόμβες υδρογόνου, που δημιουργήθηκαν τη δεκαετία μετά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο.
Αντίδραση σύντηξης
Οι αντιδράσεις σύντηξης είναι η κύρια πηγή ενέργειας για τα αστέρια, συμπεριλαμβανομένου του Ήλιου. Καθώς οι θερμοπυρηνικές διεργασίες και η νουκλεοσύνθεση προκαλούν αλλαγές στη σύνθεση σε εκτεταμένα χρονικά διαστήματα, η εξέλιξη των αστεριών μπορεί να θεωρηθεί ως μια εξέλιξη μέσω πολλών σταδίων. Η «καύση» του υδρογόνου (Η) ξεκινά την πηγή ενέργειας σύντηξης των άστρων, με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλίου (He). Οι διαδικασίες σύντηξης που περιλαμβάνουν τα ελαφρύτερα στοιχεία που καίγονται για την παραγωγή ηλίου χρησιμοποιούνται επίσης για τη δημιουργία πρακτικής ενέργειας σύντηξης.
Στην πραγματικότητα, τα βαρέα ισότοπα υδρογόνου, το δευτέριο (D) και το τρίτιο (Τ), αντιδρούν πιο αποτελεσματικά μεταξύ τους και παράγουν περισσότερη ενέργεια ανά αντίδραση από δύο πυρήνες υδρογόνου όταν συντήκονται. (Ένα μοναδικό πρωτόνιο αποτελεί τον πυρήνα του υδρογόνου. Ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο αποτελούν τον πυρήνα του δευτερίου, ενώ ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια τον πυρήνα του τριτίου.)
Πυρηνική σύντηξη
Η σύντηξη είναι μια διαδικασία κατά την οποία πολύ ελαφροί πυρήνες συντήκονται για να δημιουργήσουν βαρύτερα άτομα.
Τα προϊόντα της σύντηξης έχουν υψηλότερη ενέργεια δέσμευσης από τα αντιδρώντα. Τεράστια ποσά ενέργειας απελευθερώνονται ως αποτέλεσμα του ελαττώματος της μάζας. Παράγει περισσότερη ενέργεια ανά γραμμάριο προϊόντος από τη σχάση, χωρίς υποπροϊόντα.
Αν και η πυρηνική σύντηξη απελευθερώνει τεράστια ποσότητα ενέργειας, δεν χρησιμοποιείται για παραγωγή ενέργειας ως:
- Η αντίδραση αυτή τη στιγμή απαιτεί περισσότερη ενέργεια για να ξεκινήσει από ό,τι αποδίδει.
- Η θερμότητα που παράγεται είναι τόσο μεγάλη που τα δοχεία συγκράτησης λιώνουν.
Ο λόγος για τον οποίο η πυρηνική σύντηξη απαιτεί ενέργεια είναι ότι:
- Δύο πυρήνες πρέπει να είναι αρκετά κοντά ώστε η ισχυρή πυρηνική δύναμη να τους συνδέσει προκειμένου να συνδυαστούν. Ωστόσο, όταν πλησιάζουν θετικοί πυρήνες, η δύναμη ηλεκτροστατικής απώθησης είναι ισχυρότερη από την πυρηνική δύναμη. Για να ξεπεραστεί η απωστική δύναμη, οι πυρήνες πρέπει να είναι εξαιρετικά ενεργοί.
- Απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες (εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου), οι οποίες είναι δύσκολο να επιτευχθούν ενώ διατηρούνται τα άτομα περιορισμένα.
Παράδειγμα αντίδρασης πυρηνικής σχάσης
Πυρηνική σχάση
Οι μεγάλοι πυρήνες (αριθμοί μάζας μεγαλύτεροι από 230) είναι επιρρεπείς να χωριστούν σε δύο ή περισσότερα θραύσματα. Αυτό αναφέρεται ως σχάση.
Η σχάση δεν είναι φυσικό φαινόμενο. Μπορεί να συμβεί μόνο όταν ένα αργό νετρόνιο συγκρούεται με έναν ασταθή πυρήνα. Ο πυρήνας θα χωριστεί σε δύο σχεδόν ίσους πυρήνες κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας διάσπασης, απελευθερώνοντας αρκετά ελεύθερα νετρόνια και μεγάλη ποσότητα ενέργειας.
Αυτοί οι πυρήνες είναι ισότοπα στοιχείων που είναι πιο σταθερά. Διασπώνται ραδιενεργά αν μείνουν μόνα τους, δημιουργώντας σωματίδια άλφα ή βήτα. Τρία νετρόνια απελευθερώνονται κατά μέσο όρο. Εάν επιβραδύνονται από έναν συντονιστή, μπορούν να απορροφηθούν από άλλους πυρήνες (ένα μέσο, όπως ο γραφίτης, το βαρύ νερό και το βηρύλλιο που κάνει τα νετρόνια να ταξιδεύουν πιο αργά).
Σε αυτήν την αντίδραση σχάσης,
- Το υπόλοιπο του αριθμού μάζας είναι:235+1=90+143+3
- Η ισορροπία του ατομικού αριθμού είναι:92=36+56
- Κατά μέσο όρο, απελευθερώνονται τρία νετρόνια.
Διαφορά μεταξύ πυρηνικής σύντηξης και πυρηνικής σχάσης
| Πυρηνική σύντηξη | Πυρηνική σχάση |
| Η πυρηνική σύντηξη είναι μια πυρηνική αντίδραση κατά την οποία δύο ή περισσότερα μικροσκοπικά άτομα συντήκονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν ένα μεγάλο άτομο. | Η πυρηνική σχάση είναι μια πυρηνική αντίδραση κατά την οποία ένα βαρύ άτομο χωρίζεται σε δύο ή περισσότερα ελαφρύτερα άτομα. |
| Οι διαδικασίες πυρηνικής σύντηξης μπορούν να βρεθούν σε όλο το σύμπαν. Χρησιμοποιείται από κάθε αστέρι για την παραγωγή ενέργειας. | Η σχάση δεν είναι φυσικό φαινόμενο. |
| Έχει μεγαλύτερη απόδοση ενέργειας από την αντίδραση σχάσης. | Παράγει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας. |
| Η διαδικασία απαιτεί πολλή θερμότητα και πίεση για να πραγματοποιηθεί. | Ο διαχωρισμός ενός ατόμου στα δύο απαιτεί πολύ λίγη ενέργεια. |
Εφαρμογές πυρηνικής σύντηξης
Όσον αφορά τις αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης, βρισκόμαστε ακόμα στο πειραματικό στάδιο.
- Η πυρηνική ενέργεια (σχάση ή σύντηξη) δεν προκαλεί ρύπανση επειδή δεν υπάρχει καύση.
- Λόγω του γεγονότος ότι οι αντιδραστήρες σύντηξης δεν παράγουν πυρηνικά απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας όπως οι αντιδραστήρες σχάσης, η απόρριψη θα είναι ευκολότερη. Επιπλέον, σε αντίθεση με τους αντιδραστήρες σχάσης, τα απόβλητα δεν θα περιλαμβάνουν ραδιενεργά στοιχεία όπλων.
Η πυρηνική σύντηξη έχει τη δυνατότητα να λύσει το πρόβλημα της παγκόσμιας ενέργειας εάν χρησιμοποιηθεί σωστά. Σε σύγκριση με τις αντιδράσεις σχάσης, είναι καθαρό και παράγει πολύ λίγα πυρηνικά απόβλητα. Το δευτέριο και το τρίτιο, που χρησιμοποιούνται ως καύσιμο σύντηξης, είναι επίσης άφθονα στη φύση. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι στους μελλοντικούς αιώνες, η σύντηξη θα είναι μια βιώσιμη εναλλακτική πηγή ενέργειας.
Συμπέρασμα
Η πυρηνική σύντηξη είναι μια αντίδραση κατά την οποία δύο πυρήνες ενώνονται για να σχηματίσουν έναν μεγαλύτερο πυρήνα. όταν οι ελαφροί πυρήνες συντήκονται για να δημιουργήσουν πυρήνες μέσης μάζας, απελευθερώνεται ενέργεια.
Η τιμή Q είναι η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται από μια αντίδραση σύντηξης.
Η πυρηνική σύντηξη συζητά την αντίδραση μεταξύ δευτερίου και τριτίου που σχηματίζει μια βόμβα σύντηξης (ή υδρογόνου). εξηγεί επίσης πώς ο Ήλιος παράγει ενέργεια, πώς λειτουργεί η νουκλεοσύνθεση και πώς σχηματίζονται βαριά στοιχεία.
