Јадрено соединување

Јадрено соединување или нуклеарна фузија — јадрената физика се подразбира јадрена реакција во која две или повеќе атомски јадра со голема брзина се судираат и создаваат ново атомско јадро. За време на овој процес, материјата не е запазена, односно дел од материјата се претвора во фотони (енергија). соединување е процесот со кој се создава енергија во активните ѕвезди.

Сонцето е ѕвезда која ја создава својата енергија со помош на јадрено соединување, со соединување на атомските јадра на водород при што се создаваат атоми на хелиум. Во кората на Сонцето секоја секунда се соединуваат 620 милиони кубни тони на водород.

При соединување на две атомски јадра кои имаат помала маса од железото (кое, заедно со никелот, има најголема сврзувачка енергија) најчесто се ослободува енергија, додека при соединување на две атомски јадра со поголема маса се апсорбира енергија. Спротивното важи и за спротивниот процес, јадрено цепење. Ова значи дека соединувањето најчесто се јавува кај полесните елементи, додека фисијата се јавува кај потешките елементи. Постојат астрофизички процеси кои може да предизвикат краткотрајно соединување на потешки атомски јадра. Ваков процес е нуклеосинтезата, создавањето на тешки елементи за време на процеси како што е суперновата.

По откривањето на тунелскиот ефект од страна на Фридрих Хунд, во 1929 година Роберт Аткинсон и Фридрих Хаутерманс ги користеле измерените маси на лесните елементи за да докажат дека големи количества на енергија можат да бидат ослободени со соединување на мали атомски јадра. Базирајќи се на експериментите на јадрена трансмутација на Ернест Радерфорд, извршени неколку години претходно, лабораториското соединување на изотопите на водород првпат го извел Марк Олифант. Во подоцнежните години, најголем придонес околу јадреното соединување во ѕвездите дал Ханс Бете и со тоа ја освоил Нобеловата награда во 1967 година.

Истражувања за користење на јадреното соединување за воени цели започнале во четириесеттите години на минатиот век како дел од Менхетен проектот. Соединувањето е првпат успешно изведени при атомската проба Greenhouse Item во 1951 година. Јадрено соединување во големи размери за првпат било изведено на 1 ноември 1952 година при Ivy Mike тестирањето при што била детонирана водородна бомба.

Преглед

Соединување на деутериум и трициум (изотопи на водород) при што се создава хелиум-4, ослободувајќи неутрон и 17,59 MeV на енергија. За да се соединуваат атомските јадра потребна е голема кинетичка енергија, во согласност со E = Δmc², каде Δm е промената на масата на честичките.

Енергијата што се ослободува при соединување на лесните елементи е последица на взаемното дејство на две спротивни сили, јадрената сила која ги поврзува неутроните и протоните, и кулонововата сила која предизвикува протоните да се одбиваат. Исти сили се одбиваат, но протоните како позитивно наелектризирани честички во атомското јадро се привлекуваат како последица на постоењето на уште некоја сила. Оваа сила е силното заемодејство. Силното заемодејство е делотворно на растојание од неколку фемтометри и поради тоа не дејствува надвор од атомското јадро. Бидејќи јадрената сила е посилна од кулоновата сила за атомските јадра помали од железото и никелот, при градењето на атомски јадра на железо и никел со соединување на атомски јадра на полесни елементи се ослободува енергија. За поголеми атомски јадра, не се ослободува енергија бидејќи јадрената сила дејствува на кратко растојание.

Реакциите на соединување на лесните елементи создаваат енергија за активните ѕвезди и со соединување на истите може да се добие било кој елемент во процесот наречен нуклеосинтеза. При соединувањето на лесните елементи во ѕвездите се ослободува енергија и дел од масата. На пример, при соединувањето на два атома на водород за да се формира хелиум, 0,7% од масата се ослободува во форма на кинетичка енергија и други форми на енергија како што е електромагнетното зрачење.

Истражувања за контролирано соединување, кои имаат за цел создавање на електрична струја по пат на соединување, постојат веќе шеесет години. Истражувањата иако биле придружени со научни и технички проблеми, денес сѐ уште се во тек. Денес, реакциите на контролирано соединување немаат резултирано во самоодржливо контролирано соединување. Планови за реактор кој ќе создава десет пати повеќе енергија на соединување отколку што е потребно за затоплување на плазма на потребните температури сѐ уште се во развиток. ИТЕР проектот (анг: International Thermonuclear Experimental Reactor project) се очекува да заврши во 2019 година. Пуштањето во работа на реакторот е планирано за во 2020 година, но не се очекува веднаш со деутериумско-трициумско соединување сè до 2027 година..

Потребно е значително големо количество на енергија за едно атомско јадро да соединува, дури и атомското јадро на најлесниот елемент, водородот. Ова е така бидејќи сите атомски јадра имаат позитивен полнеж, предизвикан од протоните кои се наоѓаат во него, и какошто нивните полнежи се одбиваат, јадрото се спротивставува. На голема брзина, атомските јадра можат да ја надминат оваа електростатичка репулзија и да бидат на доволно мало растојание за привлечното силно заемодејство да биде доволно силно за да дојде до соединување. При соединувањето на полесни атомски јадра доаѓа до создавање на потешко јадро и најчесто слободен неутрон или протон, најчесто се ослободува повеќе енергија отколку што е потребно за атомското јадро да опстои. Ова е егзотермен процес кој може да создаде самоодржливи реакции. Националниот комплекс за реакции на ласерско соединување на САД се претпоставува дека во иднина ќе биде во можност да создаде самоодржливо контролирано соединување.

Првите експерименти со ласерско соединување биле изведени во 2011 година.

Енергијата ослободена во повеќето јадрени реакции е поголема отколку во хемиските реакции бидејќи енергијата на сврзување којашто го одржува атомското јадро како една целина е многу поголема отколку енергијата која ги привлекува електроните кон атомското јадро. На пример, енергијата на јонизација стекната со додавање на електрон кон атомското јадро на атом на водород е 13,6 eV - помалку од еден-милионити дел од 17,6 MeV ослободени при соединување на деутериум и трициум (реакцијата покажана во десниот дијаграм, во која еден грам на материја ослободува 339 GJ на енергија).

Реакциите на соединување имаат енергетска густина која е многупати поголема отколку енергетската густина на реакциите на јадрено цепење; реакциите на соединување создаваат многу повеќе енергија, но поединечни реакции на фисија се поенергетски отколку поединечни реакции на соединување, коишто по природа се милиони пати поенергетски отколку хемиските реакции. Само директно претворање на материјата во енергија, како што има при анихилаторскиот судир на материјата и антиматеријата, е поенергетско отколку јадреното соединување.

Услови

Детали и наводи за материјалот во овој дел од артиклот можат да бидат најдени во книги за јадрена физика и јадрено соединување.

Значителна енергетска бариера мора да се надмине за да дојде до соединување. На големо растојание, две атомски јадра се одбиваат поради одбивната електростатичка сила помеѓу нивните позитивно наелектризирани протони. Сепак, доколку две атомски јадра се на доволно мало растојание, електростатичката одбивност се надминува со силното заемодејство, кое е посилно на помало растојание.

Кога нуклеон, протон или неутрон, се додава кон атомското јадро силното заемодејство го привлекува кон другите нуклеони. Нуклеоните во внатрешноста на атомското јадро имаат повеќе соседни нуклеони отколку тие на површинскиот слој. Помали атомски јадра имаат поголем површинско-зафатнински сооднос, енергијата на сврзување на секој нуклеон поради силното заемодејство се зголемува правопропорционално со големината на атомското јадро, но достигнува ограничувачка вредност која одговара на атомско јадро со пречник од околку четири нуклеони. Важно е да се напомени дека нуклеоните во горенаведената слика се само модели, тие во квантната физика претставуваат квантни објекти и поради тоа две нуклеони во атомското јадро се идентични. Поделувајќи ги нуклеоните во атомското јадро на нуклеони од внатрешноста и нуклеони на површинскиот слој всушност е безнајачно, а инклузијата на квантната механика е потребна за точни пресметки.

Надворешни врски

• NuclearFiles.org Архивирано на 15 декември 2016 г.—A repository of documents related to nuclear power.
• Annotated bibliography for nuclear fusion from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues Архивирано на 4 март 2016 г.
• [1] Архивирано на 26 октомври 2020 г.-NRL Fusion Formulary

Организации

• Fusion for Energy website
• ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) website
• CCFE (Culham Centre for Fusion Energy) website Архивирано на 19 март 2021 г.
• JET (Joint European Torus) website Архивирано на 23 јули 2009 г.
• Naka Fusion Institute at JAEA (Japan Atomic Energy Agency) website Архивирано на 20 февруари 2015 г.