ΚΟΤΣΑΣ – ΒΑΣΙΛΗΣ
Πυρηνική σύντηξηκαι
Εφαρμογές στην ενέργεια
Επικεντρώνουμε στη φυσική της αντίδρασης σύντηξηςΑντιδράσεις σύντηξης αποτελούν τη βασική πηγή ενέργειας των αστέρων, όπως ο Ήλιος. Τρία είδη αστέρων
Μικρά αστέρια:
•Μεσαίοι αστέρες (όπως ο Ήλιος μας)
P + P -----> 12H + e++ v + 0.42 MeV
•Τεράστια αστέρια (μεγαλύτερα από πέντε φορές τη μάζα του Ήλιου)
Μερικές αντιδράσεις σύντηξης
Υπολογισμός Qvalue
Q = E (αντιδρώντα) - Ε (προϊόντα)ή
Q=(mn –mp-mv-me)c2
π.χ.
7N14 + 2He4 ——>
8O17 + 1H1 + Qv
• Άθροισμα των μαζών των αντιδρώντων = 14,0031 + 4,0026 = 18,0057 amu
• Άθροισμα των μαζών των προϊόντων = 16,9991 + 1,0078 = 18,0069 amu
Ως εκ τούτου, ΔM = άθροισμα των μαζών των προϊόντων - άθροισμα των
μαζών των αντιδρώντων = 18,0069 - 18,0057 = 0.002 amu
= 1.118 MeV
Ενέργεια σύνδεσηςB = (Zmp + Nmn − M)c2,
Υψηλότερη ενέργεια σύνδεσης μεταφράζεται σε υψηλότερη απόδοση ενέργειας
Ταχύτητα της αντίδρασης(reaction rate)
Οι ταχύτητες των πυρήνων δίνονται από την κατανομή Maxwell –Boltzmann
•P(υ)dυ : H πιθανότητα δυο πυρήνες να έχουν ταχύτητα u στην περιοχή u και υ + dυ•O ρυθμός της αντίδρασης ανά μονάδα όγκου:
•Ο μέσος όρος των υσ
Άρα ο ρυθμός της αντίδρασης είναι:
Ο ρυθμός αντίδρασης R είναι το ολοκλήρωμα το οποίο έχει μέγιστη τιμή στο υm που αντιστοιχεί σε αποτελεσματική θερμική ενέργεια Em όπου η ενεργός διατομή της αντίδρασης αυξάνεται σημαντικά με την ταχύτητα ή την ενέργεια και η ουρά της M-Β κατανομής μειώνεται
Ο παράγοντας <συ> αυξάνεται συναρτήσει της θερμοκρασίας και στις χαμηλές θερμοκρασίες που μπορεί πρακτικά να επιτευχθούν στον αντιδραστήρα (10-30keV), η αντίδραση d+t είναι πιό ευνοϊκή.
Τι κάνει δύσκολη τη σύντηξη???Φράγμα Coulomb ( Coulomb barrier).
U=e2/4πε0rΓια 2 πρωτόνια 5 fm:
U= 244MevΘερμοκρασία :
<K> =3/2*kβΤT=1.02x109K
Για την επίτευξη της σύντηξης,•Υψηλή θερμοκρασία
Η υψηλή θερμοκρασία δίνει στα άτομα υδρογόνου αρκετή ενέργεια για να ξεπεράσει την ηλεκτρική άπωση μεταξύ των πρωτονίων.
Κανένα υλικό δεν αντιστέκεται πάνω από 5000 οΚ•Υψηλή πίεση
Η πίεση συμπιέζει τα άτομα υδρογόνου μαζί. Θα πρέπει να είναι εντός 1x10-15 m
τεράστιες θερμοκρασίες
ιονισμένο πλάσμα•Πλάσμα είναι ιονισμένο αέριο. Είναι η κατάσταση της ύλης η οποία αποτελείται απόελεύθερα θετικά ιόντα και ηλεκτρόνια.
Plasmaαπαιτεί τεράστια κινητική ενέργεια των σωματιδίων,
Κριτήρια απόδοσης Lawson criterion
για παράδειγμα:στην περίπτωση του πλάσματος D-T με πυκνότητα των ιόντων 1021m-3, kΤ πρέπει να είναιμεγαλύτερη από 4 keV, αλλά πρέπει να υπερβαίνει το 40 keV για D-D πλάσμα το οποίο είναι περαιτέρω ένδειξη ότι το D-T είναι καλύτερο καύσιμο
απόδοση ενεργείας
•D-T plasma
τ= χρόνος περιορισμού
Αναγκαίαενεργεία για την δημιουργία πλάσματος
Κριτήριο απόδοσηςLawson
Π.χ.D-T plasma λειτουργεί σε kT = 20KeV παίρνουμε από πινάκα 2
Άρα
Αν
Τότε
τ=0.3sΣε ένα D-D plasma με κΤ=100ΚeV
Πρόοδος προς την κατεύθυνση παραγωγής ενέργειας από τη σύντηξη
Τυπικές τιμές πρέπει να είναι που ικανοποιούν την κατάσταση ενός αντιδραστήρα σύντηξης είναι : Τ = 1-2x108Κ Ν = 1-2x108 πυρ/m3
P = 3-10bar Μέθοδος Σύντηξης Μαγνητικού Περιορισμού (Σ.Μ.Π.)Ένας κατάλληλος συνδυασμός μαγνητικών και ηλεκτρικών πεδίων χρησιμοποιείται για τον περιορισμό και την μόνωση του πλάσματος.
•
Περιορισμός του πλάσμα τοροειδούς σπειροειδούς πεδίου
•το μαγνητικό πεδίο Β είναι κάθετο στη σελίδα•η ταχύτητα των σωματιδίων στο πλάσμα είναι παράλληλη στο Β που δεν συνεπάγεται αύξηση της δύναμης
TOKAMAKΗ πιο αποδοτική και σχετικά απλή μέθοδος είναι η τοροειδής
διαμόρφωση του μαγνητικού πεδίου
Συγκροτείται από τα ακόλουθα στοιχεία:
• μίγμα δευτέριου και τριτίου στο οποίο προκαλείται έναυσμα της αντίδρασης, τα σωματίδια α που παράγονται παραμένουν στην καρδιά του αντιδραστήρα για αρκετό χρόνο, αποβάλλοντας την ΚΕ μέσω συνεχών συγκρούσεων με τα λοιπά σωματίδια.
• Θερμοκρασία σταθερή • Περιβάλλεται από παχύ χιτώναLi
• Σύστημα μετατροπής θερμικής σε ηλεκτρική ενέργεια
• Μέχρι το 1998 υπήρχαν 450 αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης σε 31 χώρες.
Σύντηξη των πυρήνων στο ITER
• πυρηνική σύντηξη τεχνητά ωστόσο έχει επιτευχθεί ως τώρα μόνο στο εργαστήριο, σε μικρούς πειραματικούς αντιδραστήρες, και για διάρκεια μόλις τεσσάρων λεπτών και 25 s
• κατασκευή του ΙΤΕR ο οποίος θα είναι διπλάσιος σε μέγεθος και πολλαπλάσιος σε ισχύ και επιδόσεις από τους σημερινούς πειραματικούς αντιδραστήρες σύντηξης, θα βοηθήσει σημαντικά στην πρόοδο των ερευνών.
• Ο νέος αντιδραστήρας θα κατασκευαστεί βάσει της
τεχνολογίας Tokamak, η οποία ξεκίνησε από τη Ρωσία και αναπτύχθηκε από πολλές χώρες.
Βιβλιογραφία
• John Lilley-Nuclear Physics• Εισαγωγή στην πυρηνική φυσική-
Π.Α.Ασημακοπούλου• Εισαγωγή στην πυρηνική φυσική-
W.N.Cottingham, D.A.Greenwood