10.7: Fusion ya nyuklia
- Page ID
- 175633
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza mchakato wa fusion ya nyuklia katika suala la bidhaa zake na reactants
- Tumia nguvu za chembe zinazozalishwa na mmenyuko wa fusion
- Eleza dhana ya fission katika mazingira ya mabomu ya fusion, uzalishaji wa nishati na Sun, na nucleosynthesis
Mchakato wa kuchanganya nuclei nyepesi kufanya nuclei nzito inaitwa fusion nyuklia. Kama ilivyo na athari za fission, athari za fusion ni exothermic-hutoa nishati. Tuseme kwamba tunatengeneza kiini cha kaboni na heliamu ili kuzalisha oksijeni:
\[\ce{_6^{12}C + _2^4He \rightarrow _8^{16}O + \gamma.} \nonumber \]
Mabadiliko ya nishati katika mmenyuko huu yanaweza kueleweka kwa kutumia grafu ya nishati ya kumfunga kwa nucleon. Kulinganisha nishati ya kisheria kwa nucleon kwa oksijeni, kaboni, na heliamu, kiini cha oksijeni kinafungwa zaidi kuliko kiini cha kaboni na heliamu, ikionyesha kuwa mmenyuko hutoa kushuka kwa nishati ya mfumo. Nishati hii inatolewa kwa namna ya mionzi ya gamma. Athari za fusion zinasemekana kuwa exothermic wakati kiasi cha nishati kilichotolewa (kinachojulikana kama thamani ya Q) katika kila mmenyuko ni kubwa kuliko sifuri\((Q > 0)\).
Mfano muhimu wa fusion ya nyuklia katika asili ni uzalishaji wa nishati katika Jua. Katika 1938, Hans Bethe alipendekeza kwamba Sun inazalisha nishati wakati viini hidrojeni (\(\ce{^1H}\)) fuse katika imara heliamu nuclei (\(\ce{^{4}He}\)) katika msingi Sun (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Utaratibu huu, unaoitwa mlolongo wa protoni-proton, unafupishwa na athari tatu:
\[ \begin{align} \ce{_1^1H + _1^1H} & \rightarrow \ce{_1^2H + _1^0e + \nu + Q,} \\[4pt] \ce{_1^1H + _1^2H} &\rightarrow \ce{_2^3He + \gamma + Q,} \\[4pt] \ce{_2^3He + _2^3He} &\rightarrow \ce{_2^4He + _1^1H + _1^1H + Q.} \end{align} \nonumber \]
Hivyo, kiini cha heliamu imara hutengenezwa kutoka kwa fusion ya nuclei ya atomi ya hidrojeni. Athari hizi tatu zinaweza kufupishwa kwa
\[\ce{4_1^1H \rightarrow _2^4He + 2_1^0e + 2\gamma + 2\nu + Q.} \nonumber \]
Thamani ya Q ya wavu ni kuhusu 26 MeV. Kuondolewa kwa nishati hii hutoa shinikizo la gesi la nje la mafuta linalozuia Jua kutoka kuanguka kwa mvuto. Astrophysicists wanaona kwamba fusion hidrojeni hutoa nyota nishati zinahitaji kudumisha uwiano wa nishati juu ya zaidi ya muda wa maisha ya nyota.
Nucleosynthesis
Mwanasayansi sasa wanaamini kwamba mambo mengi nzito yaliyopatikana duniani na ulimwenguni pote yalikuwa yameunganishwa na fusion ndani ya vidonda vya moto vya nyota. Utaratibu huu unajulikana kama nucleosynthesis. Kwa mfano, katika nyota nyepesi, hidrojeni huchanganya ili kuunda heliamu kupitia mnyororo wa protoni-protoni. Mara mafuta ya hidrojeni yamechoka, nyota inaingia katika hatua inayofuata ya maisha yake na fuses heliamu. Mfano wa mnyororo wa majibu ya nyuklia ambao unaweza kutokea ni:
\[\ce{_2^4He + _2^4He \rightarrow _4^8Be + \gamma,} \nonumber \]
\[\ce{_4^8Be + _2^4He \rightarrow _6^{12}C + \gamma,} \nonumber \]
\[\ce{_6^{12}C + _2^4He \rightarrow _8^{16}O + \gamma.} \nonumber \]
Nuclei za kaboni na oksijeni zinazozalishwa katika michakato hiyo hatimaye hufikia uso wa nyota kwa convection. Karibu na mwisho wa maisha yake, nyota inapoteza tabaka zake za nje ndani ya nafasi, na hivyo kuimarisha kati ya interstellar na nuclei ya mambo nzito (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).
Nyota zinazofanana na masi na Jua hazizidi kuwa moto wa kutosha kuunganisha viini kama nzito (au nzito) kuliko viini vya oksijeni. Hata hivyo, katika nyota kubwa ambazo cores huwa moto zaidi\((T > 6 \times 10^8 \, K)\), hata nuclei ngumu zaidi huzalishwa. Baadhi ya athari mwakilishi ni
\[\ce{_6^{12}C + _6^{12}C \rightarrow _{11}^{23}Na + _1^1H,} \nonumber \]
\[\ce{_6^{12}C + _6^{12}C \rightarrow _{12}^{24}Mg + \gamma,} \nonumber \]
\[\ce{_6^{12}C + _8^{16}O \rightarrow _{14}^{28}Si + \gamma.} \nonumber \]
Nucleosynthesis inaendelea mpaka msingi ni hasa chuma cha chuma cha nickel. Sasa, chuma ina mali ya pekee ambayo majibu yoyote ya fusion au fission inayohusisha kiini cha chuma ni ya mwisho, maana yake ni kwamba nishati inafyonzwa badala ya kuzalishwa. Kwa hiyo, nishati ya nyuklia haiwezi kuzalishwa katika msingi wa tajiri wa chuma. Ukosefu wa shinikizo la nje kutokana na athari za fusion, nyota huanza mkataba kutokana na mvuto. Utaratibu huu jua kali msingi kwa joto juu ya utaratibu wa\(5 \times 10^9K\). Kupanua mawimbi ya mshtuko yanayotokana ndani ya nyota kutokana na kuanguka husababisha nyota kulipuka haraka. Mwangaza wa nyota unaweza kuongezeka kwa muda hadi karibu ule wa galaxi nzima. Wakati wa tukio hili, mafuriko ya neutroni yenye nguvu hugusa na chuma na viini vingine ili kuzalisha vipengele vikali kuliko chuma. Elementi hizi, pamoja na sehemu kubwa ya nyota, zinatupwa angani na mlipuko. Supernovae na malezi ya nebula ya sayari pamoja hufanya jukumu kubwa katika kueneza kwa vipengele vya kemikali kwenye nafasi.
Hatimaye, sehemu kubwa ya nyenzo zilizopotea na nyota zinavutwa pamoja kupitia nguvu ya mvuto, na hukondosha kuwa kizazi kipya cha nyota na sayari zinazoambatana. Picha za hivi karibuni kutoka Hubble Space Telescope kutoa mtazamo wa mchakato huu mkubwa unafanyika katika Constellation Serpens (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Kizazi kipya cha nyota huanza mchakato wa nucleosynthesis upya, na asilimia kubwa ya elementi nzito. Hivyo nyota ni “viwanda” vya elementi za kemikali, na atomi nyingi katika miili yetu zilikuwa mara moja sehemu ya nyota.
Pato la nguvu la Jua ni takriban\(3.8 \times 10^{26} J/s\). Wengi wa nishati hii huzalishwa katika msingi wa Jua na mlolongo wa protoni-proton. Nishati hii hupitishwa nje na mchakato wa convection na mionzi.
- Ni wangapi wa athari hizi za fusion kwa pili zinapaswa kutokea ili ugavi nguvu zinazotolewa na Jua?
- Je! Ni kiwango gani ambacho umati wa Jua hupungua?
- Katika miaka bilioni tano, msingi wa kati wa Jua utaharibika kwa hidrojeni. Kwa asilimia gani uzito wa Jua umepungua kutoka thamani yake ya sasa wakati msingi umepungua kwa hidrojeni?
Mkakati
Pato la jumla la nishati kwa pili linatolewa katika taarifa ya tatizo. Ikiwa tunajua nishati iliyotolewa katika kila mmenyuko wa fusion, tunaweza kuamua kiwango cha athari za fusion. Ikiwa hasara kubwa kwa majibu ya fusion inajulikana, kiwango cha kupoteza wingi kinajulikana. Kuzidisha kiwango hiki kwa miaka bilioni tano kunatoa molekuli jumla iliyopotea na Jua. Thamani hii imegawanywa na masi asilia ya Jua ili kuamua asilimia ya masi ya Jua ambayo imepotea wakati mafuta ya hidrojeni yamepungua.
Suluhisho
- Kupungua kwa wingi kwa mmenyuko wa fusion ni Nishati iliyotolewa kwa majibu\[\begin{align*} \Delta m &= 4m (_1^1H) - m(_2^4He) - 2m(_1^0e) \\[4pt] &= 4(1.007825 \, u) - 4.002603 \, u = 2(0.000549 \, u) \\[4pt] &= 0.0276 \, u. \end{align*} \nonumber \] ya fusion ni\[Q = (0.0276 \, u)(931.49 \, MeV/u) = 25.7 \, MeV. \nonumber \] Hivyo, kwa ugavi\(3.8 \times 10^{26} J/s = 2.38 \times 10^{39} MeV/s\), kuna lazima iwe na\[\frac{2.38 \times 10^{39} MeV/s}{25.7 \, MeV/reaction} = 9.26 \times 10^{37} \, reaction/s. \nonumber \]
- Masi ya Jua hupungua\(0.0276 \, u = 4.58 \times 10^{-29}kg\) kwa mmenyuko wa fusion, hivyo kiwango ambacho umati wake hupungua ni\[(9.26 \times 10^{37} reaction/s)(4.58 \times 10^{-29} kg/reaction) = 4.24 \times 10^9 kg/s. \nonumber \]
- Katika\(5 \times 10^9 \, y = 1.6 \times 10^{17}s\), molekuli ya Jua itapungua kwa Masi\[ \begin{align*} \Delta M &= (4.24 \times 10^9 kg/s)(1.6 \times 10^{17}s) \\[4pt] &= 6.8 \times 10^{26}kg.\end{align*} \nonumber \] ya sasa ya Jua ni karibu\(2.0 \times 10^{30} kg\), hivyo asilimia itapungua kwa wingi wake wakati mafuta yake ya hidrojeni yamepungua itakuwa\[\left(\frac{6.8 \times 10^{26}kg}{2.0 \times 10^{30}kg}\right) \times 100\% = 0.034\%. \nonumber \]
Umuhimu
Baada ya miaka bilioni tano, Jua ni karibu sana umati sawa na ilivyo sasa. Kuungua kwa hidrojeni hufanya kidogo sana kubadili masi ya Jua. Hesabu hii inadhani kuwa tu mabadiliko ya protoni-proton kuoza ni wajibu wa pato la nguvu la Jua.
Nishati kutoka jua hutoka wapi?
- Jibu
-
uongofu wa molekuli kwa nishati
bomu hidrojeni
Mwaka wa 1942, Robert Oppenheimer alipendekeza kuwa joto la juu sana la bomu la atomiki linaweza kutumika kusababisha mmenyuko wa fusion kati ya deuterium na tritium, hivyo kuzalisha bomu la fusion (au hidrojeni). Mmenyuko kati ya deuterium na tritium, isotopu zote za hidrojeni, hutolewa na
\[\ce{_1^2H + _1^3H \rightarrow _2^4He + _0^1n} + 17.6 \, MeV. \nonumber \]
Deuterium ni kiasi kikubwa katika maji ya bahari, lakini tritium ni chache. Hata hivyo, tritiamu inaweza kuzalishwa katika reactor nyuklia kupitia mmenyuko unaohusisha lithiamu. Neutrons kutoka reactor husababisha mmenyuko
\[\ce{_0^1n + _3^7Li \rightarrow _2^4He + _1^3H + _0^1n}, \nonumber \]
kuzalisha tritium taka. Bomu la kwanza la hidrojeni lilipasuka mwaka 1952 kwenye kisiwa cha mbali cha Eniwetok katika Visiwa vya Marshall. Bomu la hidrojeni halijawahi kutumika katika vita. Mabomu ya kisasa ya hidrojeni yana takriban mara 1000 nguvu zaidi kuliko mabomu ya fission yaliyoshuka juu ya Hiroshima na Nagasaki katika Vita Kuu ya II.
Reactor Fusion
Mlolongo wa fusion unaaminika kuwa ni vitendo zaidi kwa matumizi katika reactor ya nyuklia fusion ni mchakato wa hatua mbili zifuatazo:
\[\ce{_1^2H + _1^2H \rightarrow _1^3H + _1^1H}, \nonumber \]
\[\ce{_1^2H + _1^3H \rightarrow _2^4He + _0^1n}. \nonumber \]
Mlolongo huu, kama mlolongo wa protoni-proton, hutoa nishati bila bidhaa yoyote ya mionzi. Hata hivyo, kuna tatizo ngumu sana ambalo linapaswa kushinda kabla ya fusion inaweza kutumika kuzalisha kiasi kikubwa cha nishati: Joto la\((\approx 10^7 \, K)\) juu sana linahitajika kuendesha mchakato wa fusion. Ili kukabiliana na changamoto hii, mitambo ya fusion ya mtihani yanatengenezwa ili kuhimili joto mara 20 zaidi kuliko joto la msingi la Sun. Mfano ni pamoja Ulaya Torus (JET) inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Kazi kubwa bado inapaswa kufanyika kwenye teknolojia ya fusion Reactor, lakini wanasayansi wengi wanatabiri kuwa nishati ya fusion itaimarisha miji ya dunia mwishoni mwa karne ya ishirini.
