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