Что такое ядерный синтез?

Ядерный синтез описывает физику двух или более атомных ядер, сливающихся с образованием более крупных элементов — тип процесса, который происходит на нашем собственном Солнце.

Причина, по которой это захватывающая перспектива в производстве энергии, заключается в том, что такое атомное слияние может высвободить большое количество энергии. Если мы сможем использовать высвобождение от ядерного синтеза, человечество получит доступ к обильному, неисчерпаемому источнику в значительной степени устойчивой энергии.

На данный момент до такого достижения еще далеко, но исследователи по всему миру постоянно развивают эту область, внося постепенные улучшения, которые постепенно приближают нас к цели.

Как работает ядерный синтез?

Атомы растут по мере того, как протоны собираются во все большие и большие группы, связанные сильным ядерным взаимодействием. Это притяжение возникает из-за взаимодействия между тройками составляющих частиц, называемых кварками.

Благодаря кулоновской силе — силе притяжения или отталкивания между частицами из-за электрического заряда — протоны, как правило, держатся на значительном расстоянии друг от друга — слишком далеко, чтобы ядерная сила могла возникнуть.

Нейтроны, с другой стороны, не имеют заряда, поэтому не отталкиваются, что позволяет им перемещаться относительно близко к другим ядерным частицам с небольшими усилиями. Благодаря тонким различиям в свойстве, называемом спином, нейтроны и протоны, сближенные друг с другом, могут слипаться, образуя простое атомное ядро.

Теоретически протон, объединенный с нейтроном, может связываться с другим партнером протона и нейтрона, при этом нейтроны действуют как своего рода посредник. Но заставить несколько протонов собраться достаточно близко, чтобы мощная сила взяла верх, — нелегкая задача. Даже относительно простое слияние двух атомов дейтерия (водорода, состоящего из протона и нейтрона) для образования атома гелия-3 требует давления того же уровня, что и в ядрах таких объектов, как наше Солнце.

Для появления еще более крупных элементов, таких как углерод, эти печи под давлением должны поддерживать температуру не менее 100 миллионов градусов Кельвина — в шесть раз горячее, чем ядро ​​Солнца.

Слияние ядер с образованием еще более тяжелых элементов, таких как золото и уран, требует космической мощности. Подумайте о силах, возникающих в нейтронных звездах или некоторых сверхновых.

Как ядерный синтез производит энергию?

Производство термоядерной энергии зависит от разницы в количестве энергии, необходимой для удержания ядерных частиц.

Если вы возьмете альфа-частицу — пару протонов и пару нейтронов, сгруппированных вместе — и взвесите ее, вы получите массу 4,00153 единицы. Однако взвесьте каждый атом индивидуально, и общая сумма составит 4,03188 единиц.

Следуя уравнению «энергия = масса x квадрат скорости света» (да, это E = mc²), разница в массе также является разницей в энергии. Связанные вместе частицы обладают меньшей энергией, чем когда они разделены; поэтому, когда они сливаются, лишняя энергия высвобождается в пространство.

Выкованная глубоко в Солнце, такая энергия медленно достигает поверхности, где излучается волнами в виде электромагнитного излучения или солнечного света.

Здесь, на Земле, физики и инженеры разрабатывают различные устройства, которые могут помочь нам улавливать и использовать энергию, выделяемую в результате ядерного синтеза. Когда им это удастся, вы обязательно услышите об этом.

Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции, чтобы информация оставалась актуальной.