Cold Fusion: Experimentos criam energia que não deveria existir. Fusão nuclear em vez de fissão (o caminho da salvação para a humanidade?)

Após a descoberta da fissão nuclear, foi descoberto o processo inverso: fusão nuclear- quando núcleos leves se combinam para formar núcleos mais pesados.

Os processos de fusão nuclear ocorrem no Sol - quatro isótopos de hidrogênio (hidrogênio-1) se combinam para formar o hélio-4, liberando uma quantidade colossal de energia.

Na Terra, a reação de fusão utiliza isótopos de hidrogênio: deutério (hidrogênio-2) e trítio (hidrogênio-3):

3 1 H + 2 1 H → 4 2 Ele + 1 0 n

Fusão nuclear, como a fissão nuclear, não foi exceção. Primeiro uso pratico Esta reação foi obtida em uma bomba de hidrogênio, cujas consequências da explosão foram descritas anteriormente.

Se os cientistas já aprenderam a controlar a reacção em cadeia da fissão nuclear, então controlar a energia libertada da fusão nuclear ainda é uma quimera.

A aplicação prática da fissão da energia nuclear em usinas nucleares tem uma desvantagem significativa - a eliminação de resíduos nucleares usados. Eles são radioativos e representam um perigo para os organismos vivos, e sua meia-vida é bastante longa - vários milhares de anos (durante esse período, os resíduos radioativos representarão um perigo).

A fusão nuclear não produz resíduos nocivos – esta é uma das principais vantagens da sua utilização. Resolver o problema do controlo da fusão nuclear proporcionará uma fonte inesgotável de energia.

Como resultado de uma solução prática para este problema, foi criada a instalação TOKAMAK.

A palavra "TOKAMAK" - de acordo com diferentes versões, é uma abreviatura das palavras TOROIDAL, CHAMBER, MAGNETIC COILS, ou Adaptado para pronúncia fácil abreviação de Câmara de Campo Magnético Toroidal, que descreve os elementos básicos desta armadilha magnética inventada por A.D. Sakharov em 1950. O diagrama TOKAMAK é mostrado na figura:

O primeiro TOKAMAK foi construído na Rússia, no Instituto de Energia Atômica em homenagem a I.V. Kurchatov em 1956

Para trabalho bem sucedido A instalação do TOKAMAK precisa resolver três problemas.

Tarefa 1. Temperatura. O processo de fusão nuclear requer uma energia de ativação extremamente alta. Os isótopos de hidrogênio devem ser aquecidos a uma temperatura de aproximadamente 40 milhões de K - esta é uma temperatura superior à temperatura do Sol!

Nessa temperatura, os elétrons “evaporam” - resta apenas o plasma carregado positivamente - os núcleos dos átomos aquecidos a uma alta temperatura.

Os cientistas estão tentando aquecer uma substância a essa temperatura usando campo magnético e laser, mas até agora sem sucesso.

Tarefa 2. Tempo. Para que uma reação de fusão nuclear comece, os núcleos carregados devem estar suficientemente queima-roupa um do outro em T = 40 milhões de K é bastante muito tempo- cerca de um segundo.

Tarefa 3. Plasma. Você inventou o solvente absoluto? Incrível! Mas deixe-me perguntar: onde você irá armazená-lo?

Durante a fusão nuclear, a substância está no estado de plasma a uma temperatura muito elevada. Mas sob tais condições, qualquer substância estará no estado gasoso. Então, como você “armazena” plasma?

Como o plasma tem carga, um campo magnético pode ser usado para confiná-lo. Mas, infelizmente, os cientistas ainda não conseguiram criar um “frasco magnético” confiável.

De acordo com as previsões mais otimistas, os cientistas levarão de 30 a 50 anos para criar uma fonte funcional de energia ecologicamente correta - a "lápide" dos magnatas do petróleo e do gás. No entanto, não é um facto que nessa altura a humanidade não esgotará as suas reservas de petróleo e gás.

A massa é uma forma especial de energia, como evidenciado pela famosa fórmula de Einstein E = mc2. Conclui-se que é possível converter massa em energia e energia em massa. E tais reações ocorrem, na verdade, no nível intraatômico da matéria. Em particular, parte da massa do núcleo atômico pode ser convertida em energia, e isso acontece de duas maneiras. Em primeiro lugar, um núcleo grande pode decair em vários núcleos pequenos - este processo é chamado de reação desintegração. Em segundo lugar, vários núcleos menores podem se combinar em um núcleo maior - esta é a chamada reação síntese. As reações de fusão nuclear são muito difundidas no Universo - basta mencionar que é delas que as estrelas extraem a sua energia. A decadência nuclear hoje serve como uma das principais fontes de energia para a humanidade - é usada em usinas nucleares. Tanto nas reações de decomposição quanto nas reações de síntese, a massa total dos produtos da reação é menor que a massa total dos reagentes. Esta diferença de massa é convertida em energia de acordo com a fórmula E = mc2.

Decair

Na natureza, o urânio ocorre na forma de vários isótopos, um dos quais, o urânio-235 (235 U), decai espontaneamente e libera energia. Em particular, quando um nêutron suficientemente rápido atinge o núcleo de um átomo de 235 U, este último se desintegra em dois pedaços grandes e em um número de partículas pequenas, geralmente incluindo dois ou três nêutrons. No entanto, somando as massas de grandes fragmentos e partículas elementares, perderemos uma certa massa em comparação com a massa do núcleo original antes de seu decaimento sob a influência de um impacto de nêutrons. É essa massa que falta que é liberada na forma de energia distribuída entre os produtos de decomposição resultantes - em primeiro lugar, energia cinética(energia do movimento). Partículas que se movem rapidamente voam para longe do local de desintegração e colidem com outras partículas de matéria, aquecendo-as.

São partículas que voam rapidamente para longe do local de decomposição, mas não voam muito longe, colidindo com átomos vizinhos da substância e aquecendo-os. Assim, a energia gerada pela decomposição nuclear é convertida em calor da matéria circundante.

O urânio extraído de minério de urânio natural, o isótopo urânio-235, contém apenas 0,7% da massa total de urânio - os 99,3% restantes vêm do isótopo relativamente estável (fracamente radioativo) 238 U, que simplesmente absorve nêutrons livres sem decair sob seu influência. Portanto, usar urânio como combustível em reatores nucleares é necessário primeiro enriquecer - isto é, levar o conteúdo do isótopo radioativo 235 U a um nível de pelo menos 5%.

Depois disso, o urânio-235 no urânio natural enriquecido em um reator nuclear se desintegra sob a influência do bombardeio de nêutrons. Como resultado, uma média de 2,5 novos nêutrons são liberados de um núcleo de 235 U, cada um dos quais causa o decaimento de outros 2,5 núcleos, e o chamado reação em cadeia. A condição para a continuação da reação de decaimento não amortecida do urânio-235 é que o número de nêutrons liberados pelos núcleos em decomposição exceda o número de nêutrons que saem do conglomerado de urânio; neste caso, a reação continua com a liberação de energia.

EM bomba atômica a reação é deliberadamente descontrolada, como resultado do qual um grande número de núcleos de 235 U decai em uma fração de segundo e uma energia explosiva de destrutividade colossal é liberada. Nos reatores nucleares utilizados no setor energético, a reação de decaimento deve ser rigorosamente controlada para dosar a energia liberada. O cádmio é um bom absorvedor de nêutrons e geralmente é usado para controlar a taxa de decaimento em reatores de usinas nucleares; As hastes de cádmio são imersas no núcleo do reator até o nível necessário para reduzir a taxa de liberação de energia livre a limites tecnologicamente razoáveis, e se a liberação de energia cair abaixo do nível requerido, as hastes são parcialmente removidas do núcleo de reação, após o que a reação de decaimento é intensificado até o nível requerido. A energia térmica liberada é então convertida em energia elétrica da maneira usual (através de turbogeradores).

Síntese

A fusão termonuclear é uma reação exatamente oposta à reação de decaimento em sua essência: núcleos menores se combinam em núcleos maiores. A reação mais comum no Universo em geral é a reação fusão termonuclear núcleos de hélio a partir de núcleos de hidrogênio: flui continuamente nas profundezas de quase todas as estrelas visíveis. Na sua forma pura, fica assim: quatro núcleos de hidrogênio (prótons) formam um átomo de hélio (2 prótons + 2 nêutrons) com a liberação de uma série de outras partículas. Como no caso da reação de decaimento de um núcleo atômico, a massa total das partículas resultantes acaba sendo menos a massa do produto inicial (hidrogênio) - é liberada na forma de energia cinética das partículas do produto da reação, devido ao aquecimento das estrelas.

Nas profundezas das estrelas, a reação de fusão termonuclear não ocorre simultaneamente (quando 4 prótons colidem), mas em três etapas. Primeiro, dois prótons formam um núcleo de deutério (um próton e um nêutron). Então, depois que outro próton atinge o núcleo de deutério, forma-se hélio-3 (dois prótons e um nêutron) mais outras partículas. Finalmente, dois núcleos de hélio-3 colidem para formar hélio-4, dois prótons e outras partículas. No entanto, em conjunto, esta reação de três estágios dá o efeito líquido da formação de um núcleo de hélio-4 a partir de quatro prótons com a liberação de energia transportada por partículas rápidas, principalmente fótons ( cm. Evolução das estrelas).

A reação natural da fusão nuclear ocorre nas estrelas; artificial - em uma bomba de hidrogênio. Infelizmente, o homem ainda não foi capaz de encontrar os meios para direcionar a fusão termonuclear numa direção controlada e aprender a obter energia dela para fins pacíficos. No entanto, os cientistas não perdem a esperança de obter resultados positivos no domínio da obtenção de energia termonuclear “pacífica e barata” num futuro próximo - para isso, o principal é aprender como conter plasma de alta temperatura através de feixes de laser ou através de campos eletromagnéticos toroidais ultrapoderosos ( cm.

é o processo pelo qual dois núcleos atômicos se combinam para formar um núcleo mais pesado. Normalmente este processo é acompanhado pela liberação de energia. A fusão nuclear é a fonte de energia das estrelas e da bomba de hidrogênio.
Para aproximar os núcleos atômicos o suficiente para que ocorra uma reação nuclear, mesmo o elemento mais leve, o hidrogênio, requer uma quantidade muito significativa de energia. Mas, no caso de núcleos leves, como resultado da combinação de dois núcleos para formar um núcleo mais pesado, é libertada significativamente mais energia do que gasta para superar a repulsão de Coulomb entre eles. Graças a isso, a fusão nuclear é uma fonte de energia muito promissora e uma das principais áreas de pesquisa Ciência moderna.
A quantidade de energia liberada na maioria das reações nucleares é muito maior do que na reações químicas, uma vez que a energia de ligação dos núcleons no núcleo é muito maior do que a energia de ligação dos elétrons no átomo. Por exemplo, a energia de ionização produzida quando um elétron se liga a um próton para formar um átomo de hidrogênio é de 13,6 elétron-volts – menos de um milionésimo dos 17 MeV liberados pela reação do deutério com o trítio, descrita abaixo.
Existem dois tipos de interações no núcleo atômico: a força forte, que mantém prótons e nêutrons juntos, e a repulsão eletrostática muito mais fraca entre prótons do núcleo com carga semelhante, que tenta separar o núcleo. A interação forte aparece apenas em distâncias muito curtas entre prótons e nêutrons diretamente adjacentes uns aos outros. Isto também significa que os prótons e nêutrons na superfície do núcleo estão menos contidos do que os prótons e nêutrons dentro do núcleo. A força de repulsão eletrostática, por outro lado, atua a qualquer distância e é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas, ou seja, cada próton no núcleo interage com todos outro próton no núcleo. Isso leva ao fato de que à medida que o tamanho do núcleo aumenta, as forças que o mantêm aumentam até um certo número atômico (átomo de ferro) e então começam a enfraquecer. A partir do urânio, a energia de ligação torna-se negativa e os núcleos dos elementos pesados tornam-se instáveis.
Assim, para realizar uma reação de fusão nuclear, é necessário despender uma certa energia para superar a força de repulsão eletrostática entre dois núcleos atômicos e trazê-los a uma distância onde uma forte interação começa a aparecer. A energia necessária para superar a força de repulsão eletrostática é chamada de barreira de Coulomb.
A barreira de Coulomb é baixa para isótopos de hidrogênio porque eles possuem apenas um próton no núcleo. Para uma mistura DT, a barreira de energia resultante é de 0,1 MeV. Para efeito de comparação, são necessários apenas 13 eV para remover um elétron de um átomo de hidrogênio, o que é 7.500 vezes menos. Quando a reação de fusão é concluída, o novo núcleo passa para um nível de energia mais baixo e libera energia adicional, emitindo um nêutron com energia de 17,59 MeV, que é significativamente mais do que o necessário para iniciar a reação. Ou seja, a reação de fusão DT é muito exotérmica e é uma fonte de energia.
Se os núcleos fazem parte de um plasma próximo a um estado de equilíbrio térmico, a reação de fusão é chamada de fusão termonuclear. Como a temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas, o aquecimento do plasma pode fornecer aos núcleos energia suficiente para superar a barreira de 0,1 MeV. Convertendo eV em Kelvin, obtemos uma temperatura superior a 1 GK, que é uma temperatura extremamente alta.
Existem, no entanto, dois fenómenos que permitem reduzir a temperatura de reacção necessária. Em primeiro lugar, reflexivo de temperatura média energia cinética, ou seja, mesmo com Baixas temperaturas, do que o equivalente a 0,1 MeV, alguns núcleos terão uma energia significativamente superior a 0,1 MeV, os restantes terão uma energia significativamente inferior. Em segundo lugar, deve-se levar em conta o fenômeno do tunelamento quântico, quando os núcleos ultrapassam a barreira de Coulomb sem ter energia suficiente. Isto permite que reações de síntese (lentas) sejam obtidas em baixas temperaturas.
Importante para a compreensão da reação de síntese é o conceito corte transversal reações?: medidas da probabilidade de uma reação de fusão em função da velocidade relativa dos dois núcleos em interação. Para uma reação de fusão termonuclear, é mais conveniente considerar o valor médio da distribuição do produto da seção transversal e da velocidade nuclear. Usando-o, você pode escrever a taxa de reação (fusão de núcleos por volume por tempo) como