Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Na wykresie zależności właściwej energii wiązania przewidziano drugi typ reakcji jądrowych (inny niż rozszczepienie), w których wydzielana jest energia. Są to reakcje syntezy. Polegają one na tym, że z połączenia lekkich jąder powstają jądra pierwiastków cięższych. W tym rozdziale przeczytasz, jak doprowadzić do takiej reakcji, dlaczego jej wydajność jest większa, niż wydajność reakcji rozszczepiania i czemu synteza jądrowa nie stała się jeszcze powszechnie wykorzystywanym źródłem energii.

Reakcje zachodzące w sposób naturalny we wnętrzu Słońca ludzkość próbuje odtworzyć na kilka sposobów, m.in. poprzez magnetyczne uwięzienie plazmy w urządzeniach zwanych tokamakami.
Już wiesz
  • podać definicję promieniowania jądrowego;

  • wymienić rodzaje promieniowania jądrowego;

  • wymienić właściwości promieniowania alfa, beta i gamma;

  • podać definicję izotopu promieniotwórczego;

  • opisać wpływ promieniowania jonizującego na organizm ludzki;

  • podać ogólny schemat reakcji rozszczepienia jądra atomowego;

  • wyjaśnić, na czym polega łańcuchowa reakcja rozszczepienia;

  • opisać budowę i działanie reaktora jądrowego;

  • wymienić korzyści płynące z energetyki jądrowej;

  • opisać budowę i funkcjonowanie elektrowni jądrowej.

Nauczysz się
  • zapisywać reakcje syntezy jąder atomowych;

  • opisywać warunki, w jakich można doprowadzić do połączenia się dwóch jąder;

  • wymieniać reakcje termojądrowe jako źródła energii gwiazd.

1. Reakcja syntezy jąder atomowych

Reakcje rozszczepienia jąder ciężkich nie są jedynym dostępnym źródłem energii związanym z przemianami jednych atomów w inne.

Średnia energia wiązania przypadająca na jeden nukleon. Wykres a) reprezentuje obszar jąder lekkich, natomiast wykres b) – obszar jąder ciężkich

Energia jądrowa wydzielana jest w reakcjach, w których końcowe produkty mają większy deficyt masy przypadający na jeden nukleon, niż pierwiastki stanowiące substraty tych reakcji. Taka sytuacja zachodzi w wyniku połączenia dwóch lekkich jąder w jedno o większej masie.

Energia wiązania w jądrach lekkich przypadająca na jeden nukleon

Jądro

H11
H12
H13
He23
He24
Li37
C612
Ewiązania[MeV]
 

2,22

8,47

7,72

28,30

37,95

92,20

Ewiązanianukleon[MeV]
 

1,11

2,82

2,57

7,08

5,42

7,68

Z powyższego wykresu wynika, że połączenie dwóch jąder lekkich w jedno cięższe również może być źródłem energii. Ponadto możemy zauważyć, że energia wiązania nukleonu helu He24 wielokrotnie przewyższa energię w jądrze deuteru H12.

Jądro helu jest więc znacznie stabilniejsze niż jądro deuteru, zatem żeby oderwać nukleon od jądra helu, trzeba dostarczyć o wiele więcej energii, niż w przypadku jądra deuteru. Gdyby zatem połączyć ze sobą dwa jądra deuteru w jedno jądro helu, to w takim procesie zostałaby uwolniona duża nadwyżka energii (kosztem deficytu masy). Takie reakcje nazywamy reakcjami syntezy jąder:

H12+H12He23+n.

Ilość wydzielanej energii podczas takiej reakcji wynosi ok. 3,25 MeV.

Możliwe są inne schematy przebiegu reakcji syntezy jąder, znacznie korzystniejsze energetycznie:

H12+H12H13+p+4,03 MeV

lub

H12+H13He24+n+17,6 MeV.

Podczas syntezy jądra trytu i deuteru (ostatni schemat) zostaje uwolniona energia, która w przeliczeniu na nukleon czterokrotnie przewyższa energię uzyskaną z rozszczepienia jądra uranu 238U.

Spróbujmy teraz odpowiedzieć na pytanie: jakie należy stworzyć warunki, aby umożliwić przebieg reakcji syntezy lekkich jąder?

Główną przeszkodą są oddziaływania elektryczne między jądrami, mającymi zawsze ładunek dodatni. Aby mogła zajść reakcja, jądra muszą się znaleźć w wystarczająco małej odległości (dla jąder deuteru jest to ok. 10-15 m). Należy więc wytworzyć tak wysoką temperaturę, żeby energia kinetyczna jąder była na tyle duża, aby mogły one się do siebie zbliżyć i w rezultacie zainicjować przebieg reakcji. Przykładowo: łączenie ze sobą dwóch jąder deuteru wymaga temperatury, jaka panuje na Słońcu: T107 K. Reakcję syntezy jąder, która zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury, nazywamy reakcją termojądrową.

Jak widać, przeprowadzenie reakcji termojądrowej wymaga dostarczenia ogromnych ilości energii. Aby równoważyła onawkład energetyczny niezbędny do wywołania reakcji, temperatura próbki materiału powinna być jeszcze wyższa i wynosić co najmniej 35·107 K. Wzrost temperatury sprawia, że zwiększa się liczba zderzeń, a tym samym zwiększa prawdopodobieństwo zachowania ciągłości procesu. Jednak materia znajduje się wówczas w stanie plazmy i jest całkowicie zjonizowana. Kontrola przebiegu reakcji termojądrowej wymaga więc nie tylko wytworzenia gorącej plazmy, lecz także odizolowania jej od otoczenia. Wieloletnie próby uzyskania korzystnego bilansu energetycznego fuzji termojądrowej nie przyniosły pomyślnych rezultatów. Dotychczas żadnemu z nie udało się wytworzyć większej ilości energii niż ta, którą należało dostarczyć w celu podtrzymania przebiegu reakcji.

Polecenie 1

Wymień różnice między uzyskiwaniem energii podczas spalania np. węgla a uzyskiwaniem jej w reakcji łączenia się jąder pierwiastków (syntezy).

2. Skąd pochodzi energia słoneczna?

Reakcje termojądrowe są głównym źródłem energii gwiazd, w tym Słońca. W ciągu jednej sekundy Słońce wypromieniowuje energię rzędu 1026 J, a temperatura jego centralnej części sięga 1,3·107 K.

Reakcje termojądrowe są źródłem energii słonecznej

Aby wytłumaczyć emisję tak olbrzymich ilości energii, w 1938 r. zaproponowano protonowo‑protonowy cykl reakcji.

H11+H11H+e++neutrino elektronowe+1,44 MeV12

H11+H12He+5,49 MeV23

He23+He23He+2·H11+12,85 MeV24 (1951 r. – jako przedłużenie reakcji). 

Cykl protonowo‑protonowy opiera się na reakcjach syntezy jąder wodoru, które to reakcje prowadzą do wytworzenia jąder helu, czemu towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii, w tym promieniowania gamma. Jądro H12 powstałe w pierwszej reakcji nazywa się deuteronem (od nazwy izotopu wodoru – deuteru).

Polecenie 2

Po połączeniu dwóch jąder deuteru H12 powstają izotop helu He23 oraz pewna cząstka. Jak się ona nazywa?

3. Bomba wodorowa i perspektywy kontrolowanej syntezy termojądrowej

Stosunkowo łatwo udało się wykorzystać reakcję termonuklearną do celów militarnych. Skonstruowano tzw. bombę wodorową, która wykorzystuje niekontrolowaną reakcję syntezy jąder helu z deuteru i trytu. Energia wyzwolona podczas wybuchu takiej bomby znacznie przewyższa energię wybuchu zwykłych bomb jądrowych i jest równoważna energii wyzwolonej podczas wybuchu ponad 50 megaton TNT (trójnitrotoluenu), czyli 50 milionów ton trotylu.

Głównym problemem, jaki napotkali konstruktorzy bomb wodorowych, było utrzymanie przez odpowiednio długi czas na tyle wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia, aby zainicjować reakcję syntezy. W tym celu wykorzystano bombę jądrową, która pełni funkcję zapalnika. Masa reagująca (deuterek litu) otacza bombę atomową. Może być pokryta dodatkową warstwą uranu 238U, co dodatkowo zwiększa efektywną moc bomby.

Skutki wybuchu bomby wodorowej są przerażające. Temperatura w epicentrum może osiągnąć nawet do 108 K, skażeniem promieniotwórczym jest objęty zdecydowanie większy obszar niż w przypadku „zwykłej” bomby atomowej, a zniszczenia wywołane falą uderzeniową są ogromne.

Konstrukcja bomby wodorowej

Wykorzystanie energii syntezy jądrowej do celów inne niż militarne okazało się znacznie trudniejsze. Utrzymywanie reakcji przez długi czas oraz ciągłe odprowadzanie uzyskiwanej energii są niezwykle skomplikowane. Pamiętajmy, że w temperaturze, w której zachodzi ta synteza wszystkie znane materiały są w stanie lotnym. Na razie cały proces pochłania więcej energii niż jej dostarcza. Zachodzi w urządzeniach nazywanych tokamakami. Tokamak to (z ros. toroidalnaja kamiera s magnitnymi katuszkami) toroidalna komora z cewkami magnetycznymi. Koncepcję tokamaka w 1950 r. opracowali Igor Tamm i Andriej Sacharow, a pierwszy egzemplarz tego urządzenia zbudowano w Moskwie w 1956 r. Obecnie największy tokamak o nazwie JET (a ang. Joint European Torus) pracuje w Wielkiej Brytanii i służy do przygotowania pracy reaktora ITER.

Tokamak wytwarza plazmę w komorze wyładowań i utrzymuje ją kosztem energii dostarczanej przez prąd elektryczny o natężeniu zależnym od typu tokamaka, sięgającym nawet miliona amperów. Plazma dodatkowo stabilizowana jest przez pole magnetyczne. Komora wyładowań ma kształt toroidalny.

Pierwszym reaktorem termojądrowym, który ma wytwarzać więcej energii niż zużywać, będzie reaktor ITER. Jego nazwa pochodzi od pierwszych liter angielskiej nazwy: International Thermonuclear Experimental Reactor. Ma powstać na południu Francji w 2016 r.

Polecenie 3

W jakiej formie wyzwalana jest energia w reakcji termojądrowej?

Podsumowanie

  • Reakcje syntezy lekkich jąder atomowych są niezwykle wydajnym źródłem energii, ale trudno jest kontrolować te reakcje.

  • W wyniku reakcji syntezy jądra helu zwykle tworzone są z jąder izotopów wodoru – deuteru i trytu. Wydzielana energia jest wynikiem deficytu masy (masa jądra helu jest mniejsza od sumy mas jąder wodoru):

    • H12+H12He23+n+3,25 MeV

    • H12+H12H13+p+4,03 MeV

    • H12+H13He24+n+17,6 MeV

  • Żeby zaszła reakcja syntezy, energia kinetyczna jąder musi być na tyle duża, aby pokonać siły odpychania kulombowskiego. Ponadto temperatura musi wynosić ok. – 107 K, co sprawia, że takie reakcje nazywamy reakcjami termojądrowymi.

  • W reakcjach syntezy jądrowej masa krytyczna ma znaczenia.

  • Do przeprowadzenia reakcji termojądrowej potrzebna jest duża ilości energii, która powoduje gwałtowny wzrost temperatury. Materia w tak wysokiej temperaturze znajduje się w stanie plazmy.

  • Reakcje termojądrowe trudno kontrolować, ponieważ plazma nie może mieć kontaktu z pozostałymi elementami aparatury pomiarowej i dodatkowo musi być stabilizowana polem magnetycznym. Ponadto trudno uzyskać bardzo wysoką temperaturę, która jest potrzebna, aby reakcja syntezy była korzystna energetycznie.

  • Energia, którą emituje Słońce powstaje w wyniku naturalnych reakcji termojądrowych, zwanych cyklem protonowo‑protonowym.

    • H11+H11H+e++neutrino elektronowe+1,44 MeV12

    • H11+H12He+5,49 MeV23

    • He23+He23He+2·H11+12,85 MeV24

  • Cykl protonowo‑protonowy opiera się na reakcjach syntezy jąder wodoru, które to reakcje prowadzą do wytworzenia jąder helu. Temu procesowi towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii, w tym promieniowania gamma.

  • Przykładem niekontrolowanej i sztucznie wywołanej reakcji jądrowej jest bomba termojądrowa (wodorowa).

  • Próby kontrolowania łańcuchowych reakcji termojądrowych odbywają się w reaktorach termojądrowychnp. w tokamakach. Nie udało się jednak przeprowadzić takiej reakcji korzystnej energetycznie (reaktor zużywa więcej energii niż jej wytwarza). Takie urządzenia utrzymują plazmę w stanie wysokiej temperatury przez ok. 30 sekund. TReaktor ITER – budowany obecnie przez Unię Europejską, Japonię, Rosję, USA, Chiny, Koreę Południową i Indie reaktor ITER – powinien umożliwić praktyczne wykorzystanie energii syntezy jader.

Praca domowa
Polecenie 4.1

Najpierw mówiliśmy o otrzymywaniu energii z reakcji rozpadu, a teraz opisujemy otrzymywanie energii w reakcji syntezy jądrowej. Dlaczego w dwóch przeciwstawnych reakcjach jesteśmy w stanie uzyskiwać energię? Która z tych reakcji jest wydajniejsza, jeśli chodzi o uzyskiwanie energii?

Polecenie 4.2

Z jądra deuteru i jądra He3 w reakcjach syntezy możemy otrzymać jądro He4. Zapisz tę reakcję i oblicz wartość wydzielanej energii.

Polecenie 4.3

Reakcje termojądrowe zachodzą wewnątrz Słońca i produkują duże ilości promieniowania gamma. Dlaczego w promieniowaniu wychodzącym z powierzchni Słońca przeważa promieniowanie widzialne?

Polecenie 4.4

Znajdź w internecie informacje o budowie tokamaków oraz Projekcie ITER. Być może już niedługo będzie można korzystać z energii produkowanej przez te urządzenia.

Słowniczek

bomba wodorowa (bomba termojądrowa)

– zapalnikiem bomby wodorowej jest bomba jądrowa umieszczona wewnątrz masy reagującej – deuterku litu. Aby zwiększyć moc wybuchu bomby termojądrowej, jej wsad jest pokryty dodatkową warstwą uranu 238U; wybuch bomby jądrowej stwarza warunki, w których może dojść do lawinowej (niekontrolowanej) reakcji syntezy termojądrowej.

cykl protonowo‑protonowy

– cykl reakcji termosyntezy zachodzących na Słońcu; proces, w wyniku którego z jąder izotopów wodoru powstają jądra helu, czemu towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii.

gorąca plazma (plazma termojądrowa)

– całkowicie zjonizowany gaz o temperaturze sięgającej kilku milionów kelwinów, w którym mogą zachodzić reakcje syntezy termojądrowej.

ITER

– międzynarodowy projekt badawczy, którego celem jest uruchomienie eksperymentalnego reaktora termonuklearnego (tokamaka). Ma to być pierwsze urządzenie, w którym zostanie uzyskany dodatni bilans energetyczny, tj. ilość wyprodukowanej energii uzyskanej w cyklu jego pracy ma przekroczyć ilość energii zużytej na podtrzymanie kontrolowanej reakcji syntezy jądrowej, która według założeń powinna trwać ok. 1000 s. Reaktor ma być uruchomiony w 2019 r.

megatona TNT (MT)

– milion ton trotylu (TNT); energia bomby o mocy 1 MT odpowiada ilości energii powstałej podczas wybuchu miliona ton trotylu.

neutrino elektronowe

– cząstka obojętna elektrycznie, która nie posiada masy spoczynkowej; towarzyszy emisji elektronu w procesie rozpadu beta.

plazma

– niemal całkowicie zjonizowany gaz; ze względu na swoje własności nazywany jest czwartym stanem skupienia materii.

reakcja syntezy jądrowej

– reakcja polegająca na łączeniu dwóch jąder atomowych w jedno. Powstałe jądro ma mniejszą masę od sumy mas jąder, z których zostało utworzone, i jednocześnie większą energię wiązania od energii wiązania każdego z jąder biorących udział w reakcji. Kosztem różnicy mas (deficyt masy) wydziela się ogromna energia, m.in. w postaci promieniowania gamma.

reakcja termojądrowa

– reakcja syntezy jądrowej, która może zachodzić tylko w bardzo wysokiej temperaturze.

tokamak

– rodzaj reaktora termojądrowego o toroidalnej komorze wyładowań.

Zadanie podsumowujące moduł

Ćwiczenie 1