Print this page
Δευτέρα, 05 Μαρτίου 2012 01:52

πυρηνική σύντηξη

Written by
Rate this item
(0 votes)
πυρηνική σύντηξη (Πυρ. Φυσ.). Αντίδραση στην οποία δύο ή περισσότεροι ελαφροί πυρήνες που διαθέτουν υψηλότατη ενέργεια συνενώνονται ή συντήκονται με αποτέλεσμα να ανακατανέμονται τα αντίστοιχα νουκλεόνιά τους (πρωτόνια και νετρόνια), σχηματίζοντας έναν μεγαλύτερο πυρήνα, και να απελευθερώνεται ισχυρή ποσότητα ενέργειας. Σημειωτέον ότι μετά την αντίδραση σύντηξης η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο είναι μεγαλύτερη από πριν. Η ενέργεια αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά πολλούς τρόπους και η ποσότητά της υπολογίζεται εύκολα αν γνωρίζουμε το έλλειμμα μάζας των αντιδρώντων πυρήνων και των πυρήνων που παράγονται από την αντίδραση, εφαρμόζοντας την εξίσωση του Αϊνστάιν, η οποία δίνει τη σχέση μεταξύ μάζας και ενέργειας (βλ. λ. έλλειμμα μάζας). 
Η π.σ. εμφανίζεται ευκολότερα μεταξύ ελαφρών στοιχείων, δηλαδή μεταξύ πυρήνων με χαμηλό ατομικό αριθμό· σε αυτούς, η κινητική ενέργεια που απαιτείται για να προκληθεί η αντίδραση είναι ασφαλώς χαμηλότερη από εκείνη που απαιτείται για τα βαρέα στοιχεία: αυτό είναι ευνόητο, αν σκεφτούμε ότι ένας πυρήνας, φορτισμένος θετικά, περιβάλλεται από ένα φράγμα ηλεκτροστατικών δυνάμεων οι οποίες τείνουν να εμποδίσουν την προσέγγιση άλλων φορτίων με το ίδιο πρόσημο. Από την άλλη, για να συμβεί σύντηξη μεταξύ δύο πυρήνων, πρέπει να προσεγγίσουν τόσο ο ένας τον άλλο, ώστε να βρεθούν εντός της εμβέλειας της πυρηνικής δύναμης (που είναι της τάξης του ενός fermi = 10-15 μ.). Για να γίνει κάτι τέτοιο, πρέπει να υπερνικηθεί η παραπάνω ηλεκτρική άπωση, οπότε δύο πυρήνες μπορούν να συντηχθούν μόνο αν διαθέτουν αρκούντως μεγάλη κινητική ενέργεια. Το ελάχιστο της ηλεκτροστατικής άπωσης υπάρχει στα ισότοπα του υδρογόνου, που έχουν μόνο ένα πρωτόνιο (στοιχειώδες θετικό φορτίο) στο εσωτερικό του πυρήνα. Η δυναμική ενέργεια δύο τέτοιων πρωτονίων σε απόσταση ικανή για σύντηξη είναι περίπου 0,7 ΜeV, όση πρέπει να είναι και η αρχική κινητική ενέργεια των πυρήνων που πρόκειται να συγκρουστούν. Στην πραγματικότητα, τα άτομα αποκτούν τόσο μεγάλη ενέργεια μόνο όταν βρίσκονται σε συνθήκες πολύ υψηλής θερμοκρασίας. 
Στις πρώτες αντιδράσεις π.σ., οι οποίες έγιναν το διάστημα 1920-30, χρησιμοποιήθηκαν ως βλήματα πρωτόνια και δευτερόνια (δευτερόνιο είναι ο πυρήνας του δευτερίου και αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο) υψηλής ενέργειας και ως στόχοι πυρήνες στοιχείων χαμηλού ατομικού αριθμού. Παρ’ όλα αυτά, στις πρώτες αυτές αντιδράσεις, η παραγόμενη ενέργεια από το μοναδικό γεγονός (σύντηξη) διαχεόταν χωρίς να προκαλέσει μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση· η αυτοσυντήρηση κατέστη εφικτή όταν οι πυρήνες που αντιδρούσαν βρίσκονταν σε τέτοια θερμοκρασία ώστε να αποκτούν μέση κινητική ενέργεια ικανή να υπερνικήσει το απωθητικό ηλεκτροστατικό φράγμα. Υπό αυτές τις θερμικές συνθήκες (μερικά εκατομμύρια βαθμών), τείνει να αυξηθεί ο αριθμός των κρούσεων στη μονάδα του χρόνου, οι οποίες προκαλούν αντιδράσεις, με συνεπαγόμενη παραγωγή ενέργειας. Γι’ αυτό οι αντιδράσεις σύντηξης γίνονται αυτόματα στον Ήλιο και στους αστέρες, όπου, εξαιτίας της υψηλότατης πυκνότητας και θερμοκρασίας, παράγονται πολυάριθμες συγκρούσεις και αποτελούν το κυριότερο απόθεμα της ακτινοβολούμενης ενέργειας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι αντιδράσεις σύντηξης καλούνται συνήθως θερμοπυρηνικές αντιδράσεις.
Η π.σ. παράγεται τεχνητά με τη βόμβα υδρογόνου (βόμβα Η): η αναγκαία θερμότητα για τη σύγκρουση των ελαφρών πυρήνων δίνεται από την έκρηξη μιας ατομικής βόμβας σχάσης (βόμβα Α), η οποία χρησιμεύει συνεπώς ως έναυσμα. Για να δοθεί μια ιδέα των τιμών της εκλυόμενης ενέργειας, αρκεί να σκεφτούμε ότι η ενέργεια που παράγεται από χημικά κλασικά καύσιμα μετριέται σε eV (ηλεκτρονιοβόλτ), ενώ αυτή που παράγεται από μια αντίδραση σύντηξης μετριέται σε MeV (μέγα ηλεκτρονιοβόλτ = 106 eV), δηλαδή τάξη μεγέθους ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη. Έτσι, για παράδειγμα, από τη σύντηξη ενός δευτερόνιου 21H (1 πρωτόνιο και 1 νετρόνιο) με τον πυρήνα τριτίου 31H (1 πρωτόνιο και 2 νετρόνια), έχουμε ως προϊόν αντίδρασης το ήλιο 42H (2 πρωτόνια και 2 νετρόνια), ένα νετρόνιο 10n και 17,6 Me V, δηλαδή:
21H + 31H → 42H + 10n + 17,6 MeV.
Η μεγάλη ποσότητα ενέργειας που εκλύεται από τις αντιδράσεις αυτές προκάλεσε και εξακολουθεί να προκαλεί το ενδιαφέρον των επιστημόνων σε όλες τις χώρες, οι οποίοι προσπαθούν να πετύχουν την ειρηνική και παραγωγική χρήση της: οι τεχνικές δυσχέρειες συνίστανται στην επίτευξη ελέγχου κατά την εξέλιξη της αντίδρασης, για να αποφευχθούν τα εκρηκτικά φαινόμενα, αλλά και στην αυτοσυντήρησή της, για να αποτραπεί η σβέση της. Ειδικότερα, ανακύπτει το πρόβλημα πώς να περιβληθεί και να διατηρηθεί το καύσιμο υπό τις αναγκαίες συνθήκες και για αρκετό χρόνο: πραγματικά, στις θερμοκρασίες αντίδρασης, τα ελαφρά άτομα δεν έχουν ηλεκτρόνια και η ύλη βρίσκεται στην κατάσταση του πλήρως ιονισμένου αερίου (πλάσματος), που αποτελείται από φορτισμένα σωμάτια –κυρίως πυρήνες και ηλεκτρόνια– σε υψηλή διαταραχή. Στην πραγματικότητα, η διατήρηση του πλάσματος πρέπει να διαρκέσει για χρόνο τόσο ώστε, σε συνάρτηση με την πυκνότητα των υπαρχόντων ελαφρών πυρήνων, να προκληθεί ένας ικανός αριθμός συγκρούσεων και να συντελεστεί η αντίδραση (για μια πυκνότητα 1014-1015 πυρήνων ανά κ. εκ., το πλάσμα πρέπει να διατηρηθεί για χρόνο της τάξης του δευτερολέπτου). Εξάλλου, τα σωμάτια του καυσίμου δεν πρέπει να έρθουν σε επαφή με τα τοιχώματα του δοχείου, γιατί θα προκύψουν απώλειες ενέργειας.
Μια πολλά υποσχόμενη λύση στο πρόβλημα της διατήρησης του πλάσματος φαίνεται εκείνη της μαγνητικής φιάλης, η οποία αποτελείται από ένα δοχείο άυλο, προκαλούμενο από ισχυρά μαγνητικά πεδία το οποίο περιορίζει χωρικά το πλάσμα. Η τεχνική είναι γνωστή ως μαγνητική συγκράτηση. Πάντως, η μεγάλη επάρκεια του δευτερίου στη φύση και η απουσία ραδιενεργών καταλοίπων από τη σύντηξη (αντίθετα με ό,τι συμβαίνει στην πυρηνική σχάση), μαζί με την ανάγκη της επίλυσης στο άμεσο μέλλον του προβλήματος της επαρκούς ενέργειας για την ολοένα αυξανόμενη δραστηριότητα της ανθρωπότητας, γεννούν αισιόδοξες προβλέψεις, ότι θα υπάρξουν λύσεις στον ερευνητικό αυτό τομέα.
Read 326 times

Latest from