REAKCJA SYNTEZY JĄDROWEJ

 

 

Zajmiemy się teraz innym rodzajem reakcji jądrowych, przy których wyzwalana jest jeszcze większa ilość energii - syntezą jądrową.

Od wielu wieków naukowcy zastanawiali skąd Słońce i inne gwiazdy czerpią swoją energię. Gdyby było to klasyczne spalanie, Słońce zgasłoby po niezbyt długim czasie. Odpowiedzi na to pytanie dostarczył w 1938 roku Hans Albrecht Bethe. Stwierdził on, że mechanizmem dostarczającym Słońcu energii jest właśnie synteza jądrowa.

Na czym ona polega?
Weźmy jądro helu i zmierzmy jego masę. Następnie weźmy dwa osobne protony i dwa osobne neutrony. Zważmy je. Wynik jest zaskakujący. Jądro helu waży mniej niż jego składniki ważone oddzielnie. Gdzie się podziała brakująca masa? (Czy to pytanie Ci coś przypomina?). Otóż, gdy dwa protony i dwa neutrony łączą się ze sobą, aby utworzyć jądro helu, wydziela się spora ilość energii. A jak wiemy energia powiązana jest z masą sławnym równaniem Einsteina. Część masy zamienia się więc w energię.

Właśnie dzięki reakcji syntezy gwiazdy produkują wystarczająco dużo energii, aby świecić miliardy lat. W ich wnętrzu łączą się lekkie jądra tworząc jądra pierwiastków cięższych. Przy okazji wydzielana jest ogromna ilość energii. W pierwotnym Wszechświecie (niedługo po Wielkim Wybuchu) istniały tylko dwa rodzaje pierwiastków: wodór i hel. Powstały pierwsze gwiazdy, w których zaczęła się reakcja syntezy. W końcu pierwsze gwiazdy umierały wyrzucając w przestrzeń atomy cięższych pierwiastków. Tworzyły się nowe gwiazdy, wokół których krążą planety zbudowane właśnie z tych cięższych pierwiastków. Na jednej z nich żyje człowiek, którego ciało składa się z atomów zsyntezowanych we wnętrzu gwiazd.

Reakcja syntezy może zachodzić jedynie w środowisku o bardzo wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Atomy w takich warunkach są silnie zjonizowane i tworzą gorącą plazmę.

Według Bethego w gwiazdach cykl syntezy jest następujący:

gdzie:  to neutrina, ⁰₊₁e pozytony.
    Ostatecznie z tych sześciu równań otrzymujemy:

gdzie: Q wydzielona energia.
    Zobatrzmy teraz jak wygląda bilans mas:

• przed reakcją:

• po reakcji:

    Ubyło więc ~0,0273 u. Została wydzielona energia w ilości ~25,7 MeV.
    Kolejnym znanym cyklem syntezy jądrowej jest tak zwany cykl protonowy-protonowy:

    Daje on energię w ilości ~26,2 MeV.

Od II wojny światowej trwają badania nad wykorzystaniem syntezy jądrowej na Ziemi. Niestety, aby doszło do zapoczątkowania takiej reakcji potrzebna jest ogromna temperatura. A więc aby uzyskać energię należy najpierw ją dostarczyć. Nie jest to większym kłopotem, gdy nie musimy kontrolować reakcji - powstały bomby wykorzystujące syntezę jądrową (bomby wodorowe), jednak do tej pory nie udało się skonstruować elektrowni wytwarzających prąd elektryczny w oparciu o tą reakcję. Prace wciąż trwają.

9 listopada 1991 roku w Anglii przeprowadzono eksperyment, w którym udało się zapoczątkować reakcję syntezy deuteru i trytu i utrzymać ją przez 2 godziny. Uzyskano dzięki niej moc w przybliżeniu 1 MW.

---