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