ΚΟΤΣΑΣ – ΒΑΣΙΛΗΣ Πυρηνική σύντηξη και Εφαρμογές στην ενέργεια ΚΟΤΣΑΣ – ΒΑΣΙΛΗΣ Πυρηνική σύντηξη και Εφαρμογές στην ενέργεια  

Επικεντρώνουμε στη φυσική της αντίδρασης σύντηξης Αντιδράσεις 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

= 1.118 MeV π.χ. 7N14 + 2He4 ——> 8O17 + 1H1 + Qv 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 σύνδεσης B = (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.

U=e2/4πε0r Για 2 πρωτόνια 5 fm: U= 244Mev Θερμοκρασία : Τι κάνει δύσκολη τη σύντηξη??? Φράγμα Coulomb ( Coulomb barrier). U=e2/4πε0r Για 2 πρωτόνια 5 fm: U= 244Mev Θερμοκρασία : <K> =3/2*kβΤ T=1.02x109K

Για την επίτευξη της σύντηξης, Υψηλή θερμοκρασία 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 Plasma απαιτεί τεράστια κινητική ενέργεια των σωματιδίων, τεράστιες θερμοκρασίες ιονισμένο πλάσμα Πλάσμα είναι ιονισμένο αέριο. Είναι η κατάσταση της ύλης η οποία αποτελείται από ελεύθερα θετικά ιόντα και ηλεκτρόνια.

Κριτήρια απόδοσης Lawson criterion D-T plasma τ= χρόνος περιορισμού για παράδειγμα: στην περίπτωση του πλάσματος  D-T με  πυκνότητα των ιόντων 1021m-3, kΤ πρέπει να είναι μεγαλύτερη 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

τ=0.3s Π.χ. Σε ένα D-D plasma με κΤ=100ΚeV Αναγκαία ενεργεία για την δημιουργία πλάσματος Κριτήριο απόδοσης Lawson Π.χ. D-T plasma λειτουργεί σε  kT = 20KeV παίρνουμε από πινάκα 2 Άρα Αν Τότε τ=0.3s Σε ένα D-D plasma με κΤ=100ΚeV

Πρόοδος προς την κατεύθυνση παραγωγής ενέργειας 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 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

TOKAMAK Η πιο αποδοτική και σχετικά απλή μέθοδος είναι η τοροειδής Η 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 𝟔 𝑳𝒊+𝒏 → 𝟑 𝑯 + 𝟒 𝑯𝒆 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