פיזיקה של היתוך גרעיני

תגובות היתוך בכוכבים

תגובות היתוך הן מקור האנרגיה הראשוני של הכוכבים והמנגנון לנוקלאוזינתזה של יסודות האור. בשלהי שנות השלושים הכיר האנס בטה לראשונה כי האיחוי של גרעיני מימן ליצירת דאוטריום הוא אקולוגי (כלומר יש שחרור נטו של אנרגיה), ויחד עם תגובות גרעיניות שלאחר מכן מוביל לסינתזה של הליום. היווצרות הליום היא המקור העיקרי לאנרגיה הנפלטת מכוכבים נורמליים, כמו השמש, שם פלזמת הליבה הבוערת טמפרטורה נמוכה מ -15,000,000 K. עם זאת, מכיוון שהגז ממנו נוצר כוכב מכיל לעתים קרובות כמה כבד יותר אלמנטים, בעיקר פחמן (C) וחנקן (N), חשוב לכלול תגובות גרעיניות בין פרוטונים לגרעינים אלה. שרשרת התגובה בין פרוטונים שמובילה בסופו של דבר להליום היא מחזור הפרוטון-פרוטון. כאשר פרוטונים גם גורמים שריפת פחמן וחנקן, יש לקחת בחשבון את מחזור ה- CN; וכאשר כלול חמצן (O), יש לתת מענה לתוכנית חלופית נוספת, הדו-מחזורית של ה- CNO. (ראה מחזור פחמן.)

נשק גרעיני: עקרונות כלי נשק תרמיים (היתוך)

היתוך גרעיני הוא הצטרפות (או היתוך) של גרעינים של שני אטומים ליצירת אטום כבד אחד. בטמפרטורות גבוהות במיוחד - ב

מחזור האיחוי הגרעיני פרוטון-פרוטון בכוכב המכיל רק מימן מתחיל בתגובה H + H → D + β ⁺ + v; Q = 1.44 MeV, כאשר ערך ה- Q מניח השמדת הפוזיטרון על ידי אלקטרון. הדאוטריום יכול להגיב עם גרעיני דויטריום אחרים, אך מכיוון שיש כל כך הרבה מימן, יחס D / H מוחזק לערכים נמוכים מאוד, בדרך כלל ^10-18. לפיכך, השלב הבא הוא H + D → ³ He + γ; Q = 5.49 MeV, כאשר γ מציין שקרני הגמא גורמות חלק מתפוקת האנרגיה. שריפת האיזוטופ הליום -3 מולידה אז הליום ומימן רגילים דרך הצעד האחרון בשרשרת: ³ He + ³ He → ⁴ He + 2 (H); ש = 12.86 MeV.

בשיווי משקל, הליום -3 נשרף בעיקר כתוצאה מתגובות עם עצמו מכיוון שקצב התגובה שלו עם מימן הוא קטן, ואילו שריפה עם דאוטריום היא זניחה בגלל ריכוז הדאוטריום הנמוך מאוד. לאחר שהליום -4 יצטבר, תגובות עם הליום -3 יכולות להוביל לייצור של יסודות כבדים עדיין, כולל בריליום -7, בריליום -8, ליתיום -7 ובורון -8, אם הטמפרטורה גבוהה מכ- 10,000,000 K.

שלבי ההתפתחות הכוכבית הם תוצאה של שינויים בהרכב לאורך תקופות ארוכות מאוד. גודל כוכב לעומת זאת נקבע על ידי איזון בין הלחץ המופעל על ידי הפלזמה החמה לכוח הכבידה של מסת הכוכב. האנרגיה של הליבה הבוערת מועברת לכיוון פני הכוכב, שם היא מוקרנת בטמפרטורה יעילה. הטמפרטורה היעילה של פני השמש היא כ 6,000 K, ונפלטות כמויות משמעותיות של קרינה באזורי הגל הגלוי והאינפרא אדום.

תגובות היתוך לייצור כוח מבוקר

התגובות בין דויטריום לטריטיום הן תגובות האיחוי החשובות ביותר לייצור כוח מבוקר מכיוון שהחתכים הרוחביים להופעתם הם גבוהים, טמפרטורות הפלזמה הפרקטיות הנדרשות לשחרור אנרגיה נטו מתונות, ותנובת האנרגיה של התגובות גבוהה - 17.58 MeV עבור תגובת היתוך ה- DT הבסיסית.

יש לציין כי כל פלזמה המכילה דיאוטריום מייצרת באופן אוטומטי קצת טריטיום והליום -3 מתגובות של דאוטריום עם יוני דויטריום אחרים. ניתן להשתמש בתגובות היתוך אחרות הכוללות אלמנטים עם מספר אטומי מעל 2, אך רק בקושי גדול בהרבה. הסיבה לכך היא שמחסום קולומב עולה עם הגדלת המטען של הגרעינים, מה שמוביל לדרישה שטמפרטורת הפלזמה תעלה על 1,000,000,000 K אם יש להשיג קצב משמעותי. כמה מהתגובות היותר מעניינות הן:

1. H + ¹¹ B → 3 (⁴ He); ש = 8.68 MeV;

2. H + ⁶ Li → ³ He + ⁴ He; ש = 4.023 MeV;

3. ³ He + ⁶ Li → H + 2 (⁴ He); ש = 16.88 MeV; ו

4. ³ He + ⁶ Li → D + ⁷ Be; ש = 0.113 MeV.

תגובה (2) ממירה ליתיום -6 להליום -3 והליום רגיל. מעניין, שאחרי התגובה (2) ואחריה התגובה (3), אז שוב יופק פרוטון ויהיה זמין בכדי לגרום לתגובה (2), ובכך להפיץ את התהליך. למרבה הצער נראה כי התגובה (4) עשויה להתרחש פי 10 יותר מהתגובה (3).

שיטות להשגת אנרגיית היתוך

מאמצים מעשיים לרתום אנרגיית היתוך כוללים שתי גישות בסיסיות להכיל פלזמה בטמפרטורה גבוהה של אלמנטים העוברים תגובות היתוך גרעיני: כליאה מגנטית וכליאה אינרציאלית. גישה הרבה פחות סבירה אך עם זאת מעניינת מבוססת על פיוז'ן שמוזז על ידי מיונים; מחקר בנושא זה מעניין עניין בפיזיקה גרעינית. שלוש השיטות הללו מתוארות בפרטי פרטים בחלק זה. בנוסף, התארים בקצרה את התהליכים שזכו לכינוי היתוך קר ואיחוי בועות.

כליאה מגנטית

בציור מגנטי החלקיקים והאנרגיה של פלזמה חמה מוחזקים במקום בעזרת שדות מגנטיים. חלקיק טעון בשדה מגנטי חווה כוח לורנץ שהוא פרופורציונאלי לתוצר המהירות של החלקיק והשדה המגנטי. כוח זה גורם לאלקטרונים ויונים להתפתל סביב כיוון קו הכוח המגנטי, ובכך לרתק את החלקיקים. כאשר הטופולוגיה של השדה המגנטי מניבה באר מגנטית יעילה ואיזון הלחץ בין הפלזמה לשדה יציב, ניתן לכלול את הפלזמה מגבולות החומר. חום וחלקיקים מועברים לאורך השדה ומחוצה לו, אך ניתן למנוע הפסדי אנרגיה בשתי דרכים. הראשון הוא להגדיל את חוזק השדה המגנטי בשני מיקומים לאורך קו השדה. ניתן לגרום לחלקיקים טעונים הכלולים בין נקודות אלה לשקף הלוך ושוב, אפקט המכונה שיקוף מגנטי. במערכת ישרים בעיקרון עם אזור של שדה מגנטי מוגבר בכל קצה, עדיין חלקיקים יכולים לברוח דרך הקצוות עקב פיזור בין חלקיקים כשהם מתקרבים לנקודות השיקוף. ניתן להימנע לחלוטין מאובדי קצה כאלה על ידי יצירת שדה מגנטי בטופולוגיה של טורוס (כלומר, תצורה של סופגנייה או צינור פנימי).

ניתן לארגן מגנטים חיצוניים ליצירת טופולוגיה של שדה מגנטי לכליאת פלזמה יציבה, או שניתן להשתמש בהם בשילוב עם שדות מגנטיים הנוצרים על ידי זרמים המושרים לזרום בפלזמה עצמה. בסוף שנות השישים היו עדים להתקדמות משמעותית של ברית המועצות ברתימת תגובות היתוך לייצור אנרגיה מעשית. מדענים סובייטים השיגו טמפרטורת פלזמה גבוהה (כ -3,000,000 K), יחד עם פרמטרים פיסיקליים אחרים, במכונה המכונה טוקמק (ראה איור). טוקמק הוא מערכת כליאה מגנטית טורואידית, בה הפלזמה נשמרת יציבה הן על ידי שדה מגנטי הנוצר חיצונית בצורת סופגנייה והן על ידי זרמים חשמליים הזורמים בתוך הפלזמה. מאז סוף שנות השישים המוקד המוקד היה המוקד העיקרי של מחקרי היתוך מגנטי ברחבי העולם, אם כי נמשכו גם גישות אחרות כמו הסטלרטור, הטורוס הקומפקטי וקמצוץ השדה ההפוך (RFP). בגישות אלה קווי השדה המגנטי עוקבים אחר מסלול סלילי, או דמוי בורג, כאשר קווי הכוח המגנטי מתקדמים סביב טורוס. בטוקמאק גובה הצליל חלש, ולכן קווי השדה מתפתלים באופן רופף סביב הכיוון הפולואידלי (דרך החור המרכזי) של טורוס. לעומת זאת, קווי שדה של RFP מתפתלים הרבה יותר, ומתעטפים פעמים רבות בכיוון הפולואידלי לפני שמשלימים לולאה אחת בכיוון הטורואידי (סביב החור המרכזי).

יש לחמם את הפלזמה המגודרת המגנטית לטמפרטורות בהן האיחוד הגרעיני נמרץ, בדרך כלל גדול מ- 75,000,000 K (שווה ערך לאנרגיה של 4,400 eV). ניתן להשיג זאת על ידי חיבור גלי תדרים רדיו או מיקרוגלים לחלקיקי הפלזמה, על ידי הזרקת קורות אנרגטיות של אטומים נייטרליים המתיישבים ומחממים את הפלזמה, על ידי דחיסה מגנטית של הפלזמה, או על ידי חימום אוהם (המכונה גם חימום Joule) המתרחש כאשר זרם חשמלי עובר בפלזמה.

באמצעות תפיסת הטוקמק החלו מדענים ומהנדסים בארצות הברית, אירופה ויפן באמצע שנות השמונים להשתמש במכשירי טוקמק ניסיוניים גדולים כדי להשיג תנאים של טמפרטורה, צפיפות והכלאה אנרגטית שתואמים כעת את אלה הדרושים לייצור כוח היתוך מעשי.. המכונות המופעלות על מנת להשיג תוצאות אלה כוללות את טורוס המשותף האירופי (JET) של האיחוד האירופי, Tokamak-60 היפני (JT-60), ועד 1997, את ה- Reactor Test Fusion Test Reactor (TFTR) בארצות הברית. אכן, הן במכשירי TFTR והן במכשירי JET, ניסויים המשתמשים בדאוטריום וטריטיום הניבו יותר מעשרה מגה-וואט של כוח היתוך ובעצם תנאי הפסקת אנרגיה בפלזמה עצמה. תנאי פלזמה המתקרבים לתנאים שהושגו בטוקמקים הושגו גם במכונות כוכבי כוכבים גדולים בגרמניה וביפן במהלך שנות התשעים.