Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce1.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce1."— Transkript prezentace:

1 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce1

2 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce2 Úvod do termojaderné fúze Jan Mlynář 1.Fúzní jaderné reakce Definice fúzní reakce, vazebná energie jader, kapkový model, účinný průřez, bariéra, tunelový efekt, reaktivita, termojaderná fúze, důležité fúzní reakce a jejich inženýrská hlediska, a na závěr trocha historie.

3 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce3 Co je to „jaderná fúze“? Definice: Fúzní reakce jsou jaderné reakce mezi lehkými atomovými jádry, při kterých se uvolňuje energie. „lehká jádra“ – malé A, menší než 56 „Uvolňuje se energie“ - klesá klidová hmotnost soustavy E = mc 2 - ekvivalence (celkové) hmotnosti a energie Vazebná enegie jádra (binding energy)  m = Zm p + (A-Z)m n - m

4 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce4 Vazebná energie jader

5 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce5 „Údolí stability“    , záchyt e

6 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce6 Proč se uvolní energie? Weizsäcker formula: Jde o empirický vztah, kde A je počet nestlačitelných částic Korekce na slupkový model (Pauli principle) Korekce pro sudo-sudá a licho-lichá jádra Případ hodný pozornosti: 4 He volumesurfaceCoulomb repulsion Kapkový model jádra (liquid drop model)

7 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce7 Paradoxní reakce Dle definice, mezi fúzní reakce patří také Šlo by změnit definici, ale takto se užívá v praxi! Reakce p +... patří do „advanced fusion“

8 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce8 Kinematika jaderných reakcí reduced mass X(a,b)Y X je v klidu  energie srážky je

9 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce9 Účinný průřez Jaká je šance na uvolnění fúzní energie? R... četnost reakcí [s -1 ] N … počet jader v terčíku [1] ... tok ostřelujících částic [m -2 s -1 ],  = n.v Statistická veličina! Převádí se do soustavy hmotného středu tj. za E se dosazuje tj m 2

10 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce10 Důležitá odbočka I Účinný průřez rozptylu v plazmatu  p má podobnou filozofii (jde o statistickou veličinu) – ale jeho interpretace je v případě dalekodosahových sil méně názorná... Coulombické srážky v plazmatu: Srážková frekvence L se zavádí jako převrácená hodnota (průměrné) doby, za kterou částice s počáteční rychlostí v 0 =v par nabude vlivem srážek v perp =v 0

11 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce11 Důležitá odbočka II Efektivní účinný průřez je pak kde n je hustota rozptylových center v plazmatu.  p tak charakterizuje průměrný efekt mnoha srážek. Odbočka byla důležitá, protože se ve fúzi často srovnávají průřezy reakcí a rozptylu (např. účinnost fúze pomocí svazků...)  p je o jeden až dva řády větší než Rutherfordův rozptyl (  pro rozptyl jedné nabité částice na druhé >90 o ) – kvůli kumulativnímu efektu malých vzdálených rozptylů.

12 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce12 Coulomb barrier …beznadějné pokud by mělo jít jen klasicky

13 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce13 Tunnel effect I R T... pravděpodobnost reakce bez bariéry T … „barrier transparency“ Gamow energy kde

14 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce14 Tunnel effect II S(E) (odpovídá R T ) je nevýraznou funkcí energie, pokud nejsou rezonance. Pokud existuje v jaderné reakci rezonance, pak se výrazně zvýší  pro rezonanční energii: S(E) může být i funkcí polarizace jader (např. D+D) S(E) je nejvyšší pro silnou interakci, o několik řádů nižší pro EM interakci a až o 20 řádů nižší pro slabou interakci. Rezonance ~ složené jádro (compound), např. u D-T vzniká jádro 5 He bez rezonance je reakce víceméně přímá, tj. zejména při vyšších energiích....což ukazuje, že jde o přímou reakci Breit-Wigner formula  je doba života rezonance

15 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce15 Reaktivita I …a nemusí být nutně jen 1D (nemusí být izotropní)

16 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce16 Reaktivita II Objemová četnost reakcí: „Inženýrský“ zápis Pro reakci identických částic:

17 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce17 tepelného rozdělení za  dosadit vztah Gamowa…

18 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce18 Termojaderná fúze (  cvičení)  temperature threshold

19 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce19 Důležité fúzní reakce...další reakce ve hvězdách budou příště tři produkty  spojité spektrum energií Advanced fuels: (až na jednu výjimku „paradoxní“ reakce)

20 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce20 Důležité fúzní reakce

21 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce21 Fúzní reakce z hlediska inženýra D-T : evidentně nejdosažitelnější, jenže: zajištění paliva (T) zacházení s palivem (T) velmi intenzivní a energetické neutrony (14 MeV) (štěpení ~ 1 neutron na 100 MeV uvolněné energie, navíc pomalejší) - radiace, indukovaná aktivita, křehnutí materiálů (velká nevýhoda) + objemová depozice produkované energie (velká výhoda) kontinuální provoz  je třeba udržet  a odvádět   Protimluv? Nikoli, prostě je třeba odvádět  až poté, co se termalizují Obecně: pro rovnovážné termonukleární plazma jsou nejlepším palivem vodíkové izotopy a žádoucí jsou spíše nízké teploty. Důvody: ztráty zářením ~ hustota při daném tlaku ~ 1/T

22 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce22 D-D : nutné vyšší teploty, i tak nižší reaktivita asi nedosažitelné pro toroidální uspořádání (radiační + toroidální ztráty) produkuje 2.5 MeV neutrony (50% D-D reakcí) produkuje rychlé T, které (v lepším případě) shoří s D  14 MeV neutrony...  nějaké T difunduje, tj. čerpání reaktoru se musí filtrovat... pokud se udrží 3 He, může také shořet je třeba odvádět termalizované p a  Fúzní reakce z hlediska inženýra D- 3 He : 3 He se na Zemi prakticky nevyskytuje  import z Měsíce?... „Advanced“ – produkuje jen nabité částice + mnohem menší problémy s aktivitou - deponují energii povrchově (zásadní problém - chlazení reaktoru) vyšší teplota, ale vyšší reaktivita než D-D ale: parazitní D-D reakce (které už nejsou „Advanced“...)

23 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce23 Fúzní reakce z hlediska inženýra Ostatní „Advanced“ : nádhera – produktem jsou jen  atraktivní je zejména p+ 11 B (dostupnost paliv, rezonanční  ) ale vyšší Z  vyšší radiační ztráty brzdným zářením (bremsstrahlung). Kontinuální termonukleární fúze nemusí být vůbec dosažitelná (udržet umíme jen řídké malé plazma, tj. bez reabsorbce záření). Snění: „Advanced“ reakce jsou zajímavé také jako perspektivní raketové motory a také z hlediska přímé výroby elektrické energie v MHD generátorech (obr.)

24 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce24 Trocha historie... „All science is either physics or stamp collection“...o hvězdách příště Ernest Rutherford ( ), student J. Thomsona (Nobel prize 1906) objev  a  aktivity 1898 (Nobel prize chemie...) objev atomového jádra 1911 první transmutace („splitting the atom“) 14 N( ,p) 17 O od 1919 vedl Cavendish laboratory (Cambridge) „If your experiment needs statistics, you ought to have done a better experiment.“

25 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce25 Druhá trocha historie... První jaderná reakce 1932, Cockroft & Walton, Cavendish laboratory na právě dokončeném urychlovači 100keV 7 Li(p,  )  a 6 Li(p,  ) 3 He (...takže ex.def. fúzní reakce!!) Nobelova cena 1951 D-D fúze objevena (!) 1934, Oliphant, Harteck, Rutherford, Cavendish laboratory... D(d,p)T a D(d,n) 3 He autoři identifikovali obě reakce, a spekulovali o D(d,  ) 4 He, nicméně viděli jen protony a neutrony přitom neutrony byly objeveny 1932 (!) J.Chadwick,...Cavendish laboratory... Nobel prize 1935 T ani 3 He nebyly známy! O obou se ale už spekulovalo...

26 Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce26 Třetí trocha historie... za datum objevu 3 He se dnes považuje 1932, reakce 6 Li(p,  ) 3 He, za datum objevu T pak 1934, D-D fúze. oba izotopy přitom izoloval a měřil až L. Alvarez v Berkeley, 1939, na prvním cyklotronu (Nobelova cena 1968). překvapení že 3 He je stabilní a že T není. Proč je na Zemi asi miliónkrát víc atomů 4 He než 3 He ?? Vlastnosti D-T fúze byly poprvé měřeny za války v Purdue University. Překvapením byl velký (rezonanční) účinný průřez. Dlužno dodat (předeslat), že s fúzí jako se zdrojem energie hvězd se velmi detailně počítalo už před objevem D-D (Gamov 1929, Atkinson- Houtermans 1929)


Stáhnout ppt "Úvod do termojaderné fúze1: Fúzní jaderné reakce1."

Podobné prezentace


Reklamy Google