นิวเคลียร์ฟิวชัน

นิวเคลียร์ฟิวชันเกิดเมื่อ นิวเคลียส เบาสองตัวรวมกันเป็น นิวเคลียส ที่หนักกว่า ถ้า ผลิตภัณฑ์ มี มวลที่เหลือทั้งหมด ต่ำลงและ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน สูงขึ้น ความต่างมวลจะปรากฏเป็นพลังงาน ฟิสิกส์เดียวกันนี้ขับเคลื่อนดาวฤกษ์และเป็นพื้นฐานของงานวิจัย ฟิวชั่น แบบควบคุมบนโลก

ทำไม ฟิวชั่น ปล่อยพลังงานได้

เส้น พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน เพิ่มอย่างรวดเร็วใน นิวเคลียส เบา ถ้าการรวมกันทำให้ นิวเคลียสสุดท้าย อยู่ในสภาวะที่ ผูกพันอย่างแน่นหนา กว่า มวลที่เหลือทั้งหมด จะลดและ Q=(m_i−m_f)c² เป็นบวก

อย่างไรก็ตามไม่ใช่ทุก ช่องฟิวชั่น จะ ดี อัตโนมัติ ต้องดู มวลนิวเคลียร์, กฎหมายการอนุรักษ์ และ รัฐที่ได้รับอนุญาต ของ ปฏิกิริยา จริง

สิ่งกีดขวางคูลอมบ์ และ การขุดอุโมงค์

แรงผลัก คูลอมบ์ ระหว่าง นิวเคลียส บวกทำให้ต้องใช้พลังงานสูงเพื่อเข้าใกล้กัน ใน กลศาสตร์ควอนตัม มี ความน่าจะเป็นของอุโมงค์จำกัด ทำให้ ฟิวชั่น เกิดได้แม้ พลังงานจลน์ ต่ำกว่ายอด สิ่งกีดขวาง

อัตราการเกิดปฏิกิริยา จึงขึ้นกับ อุณหภูมิ, ความหนาแน่น, ภาพตัดขวาง และ การขุดอุโมงค์ พร้อมกัน คำว่า 'ร้อนมากแล้ว ฟิวชั่น แน่นอน' เป็นการสรุปง่ายเกินไป

ฟิวชั่น ในดาว

ดวงอาทิตย์ใช้ โปรตอน-โปรตอนโซ่ เปลี่ยน ไฮโดรเจน เป็น ฮีเลียม ขั้นแรกเกี่ยวข้องกับ ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ และช้ามาก จึงช่วยให้ดาว ลำดับหลัก มีอายุยาว

ดาวที่มวลมากกว่าและร้อนกว่าสามารถใช้ วงจรซีเอ็นโอ และ ขั้นตอนการเผาไหม้ ของ นิวเคลียส หนักขึ้นได้ สภาพ ฟิวชั่นของดาวฤกษ์ อาศัย แรงโน้มถ่วง, ความหนาแน่น และเวลา ซึ่งต่างจากเครื่อง เครื่องปฏิกรณ์ บนโลกมาก

ดี-ที ฟิวชั่น

D + T → ^4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) รวมประมาณ 17.6 มีวี อัลฟ่า ที่มีประจุสามารถฝากพลังงานใน พลาสมา ส่วน นิวตรอน หลุดออกไปยัง ผ้าห่ม และโครงสร้าง

นิวตรอน พลังงานสูงทำให้ การเปิดใช้งาน, ความเสียหายจากการเคลื่อนย้าย และ เครื่องทำความร้อน ของวัสดุ จึงเป็น ความท้าทายทางวิศวกรรม สำคัญของ ดี-ที ฟิวชั่น

การคุมขัง และเกณฑ์พลังงานสุทธิ

ระบบ การกักขังด้วยแม่เหล็ก ใช้สนามแม่เหล็กกัก พลาสมา เช่น โทคามัค และ ดาวฤกษ์ ส่วน การกักขังเฉื่อย ใช้การบีบอัดที่รุนแรงในเวลาสั้น

เกณฑ์ ลอว์สัน และ ผลิตภัณฑ์สามเท่า เชื่อม ความหนาแน่น, อุณหภูมิ และ เวลาที่จำกัดพลังงาน การได้ ผลประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์, คุ้มทุนทางวิศวกรรม และ ไฟฟ้าสุทธิ เป็นคนละ เหตุการณ์สำคัญ

ภาพตัดขวาง และ หน้าต่างกาโมว

อัตรา ฟิวชั่น ใน พลาสมา ไม่ได้ขึ้นกับอุณหภูมิเพียงอย่างเดียว แต่เป็นค่าเฉลี่ยของ ภาพตัดขวาง กับ การกระจายสินค้า ของความเร็ว นิวเคลียส ช่วงพลังงานที่มี ผลงาน สูงเรียกโดยประมาณว่า หน้าต่างกาโมว ซึ่งสมดุลระหว่างอนุภาคที่มีพลังงานสูงกับ ความน่าจะเป็นในการขุดอุโมงค์

ดังนั้นการเพิ่ม อุณหภูมิ เปลี่ยนทั้งจำนวนอนุภาคใน หางพลังงานสูง และ ความน่าจะเป็นของปฏิกิริยา ต่อ การชนกัน ไม่ใช่เพียงทำให้ นิวเคลียส 'ชนแรงขึ้น'

หน้าต่างกาโมว และอัตราปฏิกิริยา

ใน พลาสมา ที่อุณหภูมิ T อนุภาคไม่ได้มีพลังงานเท่ากัน แต่กระจายตาม การกระจายความร้อน ขณะที่ ความน่าจะเป็นในการขุดอุโมงค์ เพิ่มอย่างแรงกับ พลังงาน ผลคูณของสองปัจจัยสร้างช่วงพลังงานที่ ปฏิกิริยา มีส่วนมากเรียกว่า หน้าต่างกาโมว

จึงไม่ถูกต้องที่จะพูดว่า นิวเคลียส ทุกตัวต้องมีพลังงานเท่ากับ อัตราการเกิดปฏิกิริยากั้นคูลอมบ์ เกิดจาก หาง ของ การกระจายสินค้า ร่วมกับ การเจาะควอนตัม

แบบฝึกหัด

พลังงานดี-ที

17.6 MeV ต่อ ปฏิกิริยา

เฉลย: ≈2.82×10⁻¹² J

ข้อบกพร่องมวล

Δm=0.0189 u

เฉลย: Q≈17.6 MeV

เพิ่ม อุณหภูมิ

ผลหลัก

เฉลย: สัดส่วนอนุภาคพลังงานสูงและ อัตราปฏิกิริยาถ่วงน้ำหนักแบบอุโมงค์ เพิ่ม