Synteza termojądrowa

Reakcja syntezy

Synteza jądrowa, fuzja jądrowa, proces łączenia się jąder lekkich pierwiastków w jądra cięższych pierwiastków (nukleosynteza), jądra posiadają dodatni ładunek elektryczny i wzajemnie się odpychają, ich zbliżenie się do siebie na odległości, przy których przyciąganie powodowane przez oddziaływanie silne przezwycięży to odpychanie najłatwiej osiąga się w wysokich temperaturach (większych niż 10000000 °C), stąd reakcje syntezy jądrowej nazywane są reakcjami termojądrowymi. W reakcjach syntezy jądrowej wydzielają się znaczne ilości energii, w naturze procesy te odpowiadają za produkcje energii w gwiazdach - cykl proton-proton, cykl CNO (H.A. Bethe). Na Ziemi udaje się przeprowadzić reakcję syntezy jądrowej w skali modelowej (pojedyncze jądra w eksperymentach akceleratorowych), niekontrolowane reakcje wybuchowe (broń termojądrowa), lub w sposób kontrolowany przez bardzo krótki okres czasu (tokomak).

Cykl protonowo-protonowy

Cykl p-p, jeden ze schematów reakcji jądrowych zachodzących w gwieździe, zaproponowanych przez H.A. Bethego jako mechanizm produkcji energii w gwiazdach.

W cyklu tym następują kolejne reakcje jądrowe: 

1) p+p -> d+e⁺+u+γ₁, 

gdzie p - proton, d-jądro deuteru, e⁺ - pozyton, u-neutrino elektronowe, γ₁- energia 0,42 MeV (z defektu masy),
2) d+p -> ³He+γ, 3) ³He+⁴He -> ⁷Be +γ, 4a) ⁷Li (po rozpadzie b ⁷Be) +p -> 2⁴He lub 4b) ⁷Be+p -> ⁸B+γ, ⁸Be (po rozpadzie b ⁸B) -> 2⁴He. 
Cykl ten prowadzi do zamiany jąder wodoru (protonów) w jądra helu (⁴He). Zysk energetyczny z procesu wynosi 26,2 MeV. Warunkiem zaistnienia cyklu p-p w gwieździe jest temperatura ponad 10 milionów K i gęstość 100 g/cm3. W obecnej chwili cykl p-p wydaje się być głównym źródłem energii Słońca.

Kolizje

Pierwsza

Początek cykl protonowo-protonowego. Trwa 7 miliardów lat. Dwa jądra wodoru (dwa protony) zderzają się dając izotop helu ²He. Izotop ten jest bardzo nie trwały i natychmiast rozpada się na deuter (izotop wodoru ²H), pozytron i neutrin. Pozytron szybko się oddala i uderza w przypadkowy elektron ulegając anihilacji w której wytwarza się promieniowanie gamma.

Druga

Jądro deuteru, wytworzone w pierwszej kolizji, trwa ale jest skłonne do reagowania z innymi jądrami. Po kilku sekundach łączy się z innym pobliskim protonem. W zderzeniu powstaje promieniowanie gamma i jądro bardzo rzadko występującego izotopu helu ³He, warzącego 3/4 zwykłego helu i składającego się z dwóch protonów i jednego neutronu.

Trzecia

Trzecia i ostatnia kolizja cyklu zdarza się 400000 lat później. W tym czasie, jądro izotopu helu ³He zderza się z innym jądrem tego samego izotopu pierwiastka. W reakcji powstaje jądro helu ⁴He składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów i dwa wolne protony, które mogą zapoczątkować cały cykl ponownie.

Słoneczna produkcja

W każdej sekundzie 592 milionów ton wodoru jest stapiane do 587,9 milionów ton helu. Brakująca masa, 4,1 milionów ton jest zamieniana na energię według słynnego wzoru A. Einsteina E=mc². W każdej sekundzie Słońce produkuje 13 milionów razy więcej energii niż roczna konsumpcja elektryczności w USA. Słońce w ciągu jednej sekundy produkuje 383 trylionów megawatów energii. Opanowanie reakcji syntezy było by milowym krokiem ludzkości w wytwarzaniu energii. Energie jądrowe otrzymują energię z rozszczepiana uranu. Z jednego grama uranu otrzymują tyle energii co elektrownie węglowe ze spalenia trzech ton węgla. Pozostają po tym jednak odpady radioaktywne których nie ma gdzie składować. W elektrowni wodorowej (fuzyjnej) tego problemu by nie było, a z jednego grama wodoru lub deuteru otrzymywano by tyle energii co ze spalenia 24 ton węgla!!!

Reakcja kontrolowana

Proces syntezy jądrowej w jądrze Słońca ulega samokontroli. Jeżeli w jądrze zachodzi więcej reakcji, wtedy produkowane jest więcej ciepła i Słońce zaczyna się rozszerzać. Zwiększają się przestrzenie między cząsteczkami jądrowymi i reakcja zaczyna zwalniać. Temperatura zaczyna spadać i Słońce zapada się pod wpływem siły grawitacji. Ciśnienie w jądrze rośnie i zwiększa się ilość reakcji ponownie rozszerzając gwiazdę. Samokontrola będzie się utrzymywać dopóki nie "wytopi się" cały wodór, czyli jeszcze jakieś 5 miliardów lat.

---