Синтез лёгких ядер (дефект массы) и Парадокс моделей вселенной
Ядерная энергетика синтеза основана на синтезе легких ядер, протекающего при высоких температурах Т ³ 100 * 106 К, когда реагирующая среда является полностью ионизированным газом – плазмой. Изучаются различные схемы удержания горючей плазмы.
Первые опытные энергетические ректоры синтеза – термоядерные реакторы, - вероятно, будут построены к концу этого века.
В настоящее мировое производство энергии соответствует сжиганию около 10 млрд. т обычного топлива в год. В следующем веке эта величина, вероятно, возрастет в несколько раз. Ядерная энергетика способна обеспечить длительное развитие человечества без ограничений со стороны топливных ресурсов.
Синтез легких ядер
Если W > 0, то распад ядра энергетически запрещен. Но в обратном процессе - слиянии ядер X1 и X2 - энергия исходной системы должна уменьшится на величину W. Продукты синтеза приобретут кинетическую энергию W. На правой половине Рис. 5 изображена реакция слияния
|
Однако наибольший интерес представляют реакции
|
|
Высвобождающаяся энергия, отнесенная к одному нуклону дейтерия, значительно больше энергетического выхода на один нуклон делящегося изотопа урана-235. Для реализации таких реакций необходимо сблизить ядра на расстояние R ~ 10-14м, затратив энергию k0 e2/R ~ 0,15 ¸0,3 МэВ, поэтому реакции остаются энергетически выгодными. Поскольку тритий очень радиоактивен, то реакция с использованием 3He более безопасна. Надежды на практическую реализацию управляемого термоядерного синтеза продолжают оставаться "умеренно оптимистическими" на протяжении более 40 лет. Если бы удалось осуществить управляемые термоядерные реакции в промышленных услових, то это дало бы доступ к практически неисчерпаемым источникам энергии и избавило бы человечество от угрозы энергетического кризиса. С другой стороны, если взорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены (и продолжают накапливаться многими странами, несмотря на окончание т.н. холодной войны), то человечество и большая часть всего живого на Земле будет уничтожено.
Дефект массы – характеристика атомного ядра, энергия связи.
Задача о нецелочисленности атомного веса изотопов долго волновала учёных, но теория относительности, установив связь между массой и энергией тела (E=mc2), дала ключ к решению этой задачи, а протон-нейтронная модель атомного ядра оказалась тем замком, к которому этот ключ подошёл. Для решения данной задачи понадобятся некоторые сведения о массах элементарных частиц и атомных ядер (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Масса и атомный вес некоторых частиц
| Частица | Символ | Масса, кг | Масса в физической шкале[1] |
| Электрон | e | (9,1083±0,0003)´10-31 | (5,48763±0,00006)´10–4 |
| Протон |
| (1,67239±0,00004)´10-27 | 1,007593±0,000003 |
| Нейтрон |
| (1,67470±0,00004)´10-27 | 1,008982±0,000003 |
| Альфа-частица |
| (6,6433±0,0001)´10-27 | 4,002780±0,000006 |
(Массы нуклидов и их разности определяют опытным путем с помощью: масс-спектроскопических измерений; измерений энергий различных ядерных реакций; измерений энергий β- и α-распадов; микроволновых измерений, дающих отношение масс или их разностей.)
Сравним массу a-частицы, т.е. ядра гелия, с массой двух протонов и двух нейтронов, из которых оно состоит. Для этого из суммы удвоенной массы протона и удвоенной массы нейтрона вычтем массу a-частицы и полученную таким образом величину назовём дефектом массы
Dm=2Mp+2Mn-Ma=0,03037 а.е.м. (1.1)
Атомная единица массы
mа.е.м.= (1,6597±0,0004)´10-27 кг. (1.2)
Пользуясь формулой связи между массой и энергией, делаемой теорией относительности, можно определить величину энергии, которая соответствует этой массе, и выразить её в джоулях или, что более удобно, в мегаэлектронвольтах (1 Мэв=106 эв). 1 Мэв соответствует энергии, приобретаемой электроном, прошедшим разность потенциалов в миллион вольт.