:::: ИЗОТОПЫ СВОЙСТВА ПОЛУЧЕНИЕ

ИЗОТОПЫ
ИЗОТОПЫ::
СВОЙСТВА
ПОЛУЧЕНИЕ
ПРИМЕНЕНИЕ
Инжечик Лев Владиславович
Кафедра общей физики
inzhechik@stream.ru
Лекция № 22
Термоядерные реакции
Пороги первых пяти реакций — порядка 0.1 MeV (кулоновский
барьер). Последняя идет даже на тепловых нейтронах.
Проблема: как сделать эти реакции самоподдерживающимися?
0.1 MeV = kT ⇒ T=109 K ⇒ полностью ионизированная плазма ⇒
⇒ потери энергии через излучение электронов и т. п.
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
2
Термоядерные реакции взрывного типа
Время реакции — порядка 1 мкс. Нет проблемы остывания.
Для удержания от разлета достаточно сделать твердую оболочку (U).
Высокая плотность и малые размеры достигаются использованием
твердого горючего, например, 6Li 2H (дейтерид лития).
Предварительный нагрев до 107 К осуществляется атомным взрывом
(цепная реакция деления).
T1 2 (13H , β − ) = 12.33 y
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
3
Мирные
ядерные
взрывы
Термоядерные взрывные устройства для мирных целей
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
5
Проекты
создания
каналов
с помощью
термоядерных
взрывов
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
6
Проекты создания каналов
с помощью термоядерных
взрывов
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
7
Термоядерные взрывные устройства для мирных целей
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
8
Термоядерные реакции на Солнце. Протонный (pp-) цикл
85%
2.4 ·10-5%
99.6%
90%
0.4%
15%
10%
Итоговая реакция:
Самая медленная реакция протонного цикла:
(
)
T1 / 2 p + p → d + e + + ν e = 1.4 ⋅1010 y
Удельное энерговыделение протонного солнечного цикла:
q = 2 ⋅ 10 − 7 Вт г ; M Солнца = 2 ⋅ 10 33 г ⇒
⇒ dM dt = 4 .3 тонны в секунду
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
9
Термоядерные реакции на Солнце. CNO-цикл
Итоговая реакция:
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
10
Термоядерные реакции на Солнце
Плотность в центре р ≈ 100 г/см3 — обеспечивается гравитацией
Диаметр
D≈ 14 ·10 6 км — потери на излучение
относительно малы
Температура в центре Т≈ 14 ·10 6 K ≈ 1.2 кэВ <<
<< 0.5 МэВ — кулоновский pp барьер?
f = E exp(− E / kT )
выход реакции J=f×σ
сечение
pp-цикл идет в стационарном режиме
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
11
Вклады pp- и CNO- циклов
в зависимости от температуры звезды
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
12
Управляемая термоядерная реакция
Пороги первых пяти реакций — порядка 0.1 MeV (кулоновский барьер
меньше, чем у pp-реакции!). Последняя идет даже на тепловых нейтронах.
Проблема: как сделать эти реакции самоподдерживающимися?
0.1 MeV = kT ⇒ T=109 K ⇒ полностью ионизированная плазма ⇒
⇒ потери энергии через излучение электронов и т. п.
Критерий Лоусона для положительного баланса энергии т/я реакции в
плазме — сочетание температуры и "параметра удержания":
DT плазма — nτ ≈ 3·1014 см-3 с ; T=108 K
DD плазма — nτ ≈ 1016 см-3 с ; T=108 K
n — концентрация ядер; τ — время удержания
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
13
Виды термоядерных топлив. DT топливо
Первичные энергетические реакции:
D + T → 4He + n + 17,59 МэВ ,
D + D → 3H + p + 4,03 МэВ ,
D + D → 3He + n + 3,27 МэВ ,
T + T → 4He + 2n + 11,33 МэВ .
Основная вторичная энергетическая реакция:
D + 3He → 4He + p + 18,34 МэВ .
Процесс воспроизводства трития в литиевом бланкете:
n + 6Li → 3He + 4He + 4,78 МэВ .
Процесс размножения нейтронов:
n + 9Be → 2n + 2 4He – 1,57 МэВ ,
n + D → 2n + p – 2,23 МэВ .
DT-процесс является безусловным лидером по энерговыделению и значениям параметров скорости реакции (реактивности)
r = <σv>, т.е. произведения ядерных сечений σ(E) и относительной
скорости v реагирующих частиц, усредненного по их максвелловской
функции распределения по скоростям f(v). Критерий Лоусона nτ
минимален. Т горения опт. = 15-20 кэВ.
Недостатки: быстрые нейтроны уносят до 80% энергии; опасный
радиоактивный тритий, трудно выделяемый из Li бланкета.
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
14
Виды термоядерных топлив. DD топливо
Первичные энергетические реакции:
D+D
D+D
→ 3H + p + 4,03 МэВ ,
→ 3He + n + 3,27 МэВ ,
Вторичные энергетические реакции:
D + T → 4He + n + 17,59 МэВ ,
D + 3He → 4He + p + 18,34 МэВ ,
Преимущества: потоки нейтронов ослаблены по сравнению с
DT-циклом; нет тритиевых технологий..
Недостатки: сечения DD реакции существенно меньше, а порог
выше, чем у DT-цикла; оптимальная Т горения ≈40 кэВ.
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
15
Виды термоядерных топлив. D3H топливо
Первичные энергетические реакции:
D + 3He → 4He + p + 18,34 МэВ ,
D + D → 3H + p + 4,03 МэВ ,
D + D → 3He + n + 3,27 МэВ ,
3He + 3He → 4He + 2p + 12,86 МэВ.
Вторичные энергетические реакции:
D + T → 4He + n + 17,59 МэВ ,
T + T → 4He + 2n + 11,33 МэВ ,
D + p → 2p + n – 2,23 МэВ ,
T + p → 3He + n – 0,76 МэВ .
Преимущества: условно безнейтронное топливо — доля
нейтронной составляющей ≈3%.
Недостатки: высокая температура Т горения ≈40 кэВ; редкий
изотоп 3He.
Термоядерные
Термоядерныетоплива
топливаможно
можноразделить
разделитьна
натри
три
6
3
группы:
группы:классическое
классическое(DT),
(DT), перспективные
перспективные(DD,
(DD,DD 6Li,
Li,DD 3He)
He)ии
3
3
6
11
9
экзотические
экзотические((3He
He 3He,
He,HH 6Li,
Li,HH 11B,
B,HH 9Be)
Be)топлива.
топлива.ВВнастоящее
настоящее
3
время
времянаиболее
наиболеесерьезно
серьезнорассматриваются
рассматриваютсяDT
DTииDD 3He
Heсмеси.
смеси.
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
16
Мюонный катализ
Потенциал
При температур
е 5·10 7 К ≈ 5
кэВ становится
заметной реакц
и я:
D + T→ 4He + n
+ 17,59 МэВ
("хвост" максвел
ловского
распределения
+ туннелировани
е)
Мюон (µ -)
—
Расстояние между ядрами D и T
лептон
заряд q=-1
масса mµ=206.769 me
время жизни τµ=2.2 мкс
Мезоатомы и мезомолекулы — мюон вместо электрона. Размеры
мезоатомов (pµ, dµ, tµ) и мезомолекул (pµ p, pµ d, pµ t, dµ d, dµ t и tµ t),
которые мюон образует с ядрами изотопов водорода, примерно в 200 раз
меньше обычных атомов (H, D, T) и молекулярных ионов (H2+, HD+, HT+,
D2+, DT+, T2+). По традиции системы pµ p, pµ d и т.д. называют
мезомолекулами, хотя правильнее называть их мезомолекулярными
ионами и явно указывать их заряд: (pµ p)+, (pµ d)+ и т.д.
Лекция № 22
Изотопы: свойства, получение, применение
17
Мюонный катализ
Потенциал
Потенциал в
мезомолекуле Ш
ир
барьера вследст ина
ви
экранирования п е
оля
отрицательным
мюоном
r0 = aБ /m ≈ 2.5·1 -11
0 см
µ
Это означает, что в холодной
мезомолекуле расстояние между
ядрами близко к минимальному
сближению
ядер в плазме с
температурой 5 кэВ, т. е. реакция
DT-синтеза в DµT мезомолекуле
возможна без дополнительного
нагрева. Реакция идет даже при
криогенных температурах!
Лекция № 22
Расстояние между ядрами D и T
Изотопы: свойства, получение, применение
18
Мюонный катализ
Для мезомолекулы DTµ
скорость реакции
λ
DTµ →
4He
+n+µ
+ 17.6 МэВ
µ 4He + n
λ ≈ 10 12 с-1 , что на 6 порядков превышает скорость распада
мюона λµ = 1/τµ ≈ 0.5 ·10 6 с-1 . Т. е. мюон может многократно
(до 100 раз) участвовать в цикле синтеза.
λC
Основной цикл мюонного катализа в
D/T смеси: lc — скорость цикла, lm —
скорость образования мезомолекул,
lf — скорость синтеза, ωs –—
вероятность прилипания мюона к
гелию.
Лекция № 22
λf
Изотопы: свойства, получение, применение
λm
19