ΚΟΤΣΑΣ – ΒΑΣΙΛΗΣ Πυρηνική σύντηξη και Εφαρμογές στην ενέργεια

1. ΚΟΤΣΑΣ – ΒΑΣΙΛΗΣ Πυρηνική σύντηξηκαιΕφαρμογές στην ενέργεια

2. Επικεντρώνουμε στη φυσική της αντίδρασης σύντηξης • Αντιδράσεις σύντηξης αποτελούν τη βασική πηγή ενέργειας των αστέρων, • όπως ο Ήλιος. • Τρία είδη αστέρων • Μικρά αστέρια: • Μεσαίοι αστέρες (όπως ο Ήλιος μας) P+P -----> 12H + e++ v + 0.42 MeV • Τεράστια αστέρια (μεγαλύτερα από πέντε φορές τη μάζα του Ήλιου)

3. Μερικές αντιδράσειςσύντηξης

4. Υπολογισμός Qvalue • Q = E (αντιδρώντα) - Ε (προϊόντα) • ή • Q=(mn–mp-mv-me)c2 • π.χ. • 7N14+2He4——>8O17+1H1+ Qv • Άθροισμα των μαζώντωναντιδρώντων=14,0031+4,0026=18,0057amu • Άθροισμα των μαζώντωνπροϊόντων=16,9991+1,0078=18,0069amu • Ως εκ τούτου,ΔM =άθροισμα των μαζώντωνπροϊόντων-άθροισμα των μαζών τωναντιδρώντων=18,0069 - 18,0057=0.002amu • =1.118 MeV

5. Ενέργεια σύνδεσης B=(Zmp+Nmn−M)c2, Υψηλότερη ενέργεια σύνδεσης μεταφράζεται σε υψηλότερη απόδοση ενέργειας

6. Ταχύτητα της αντίδρασης (reactionrate) Οι ταχύτητες των πυρήνων δίνονται από την κατανομή Maxwell –Boltzmann • P(υ)dυ : H πιθανότητα δυο πυρήνες να έχουν ταχύτητα u στην περιοχή uκαι • υ + dυ • O ρυθμός της αντίδρασηςανά μονάδα όγκου: • Ο μέσος όρος τωνυσ Άρα ο ρυθμόςτης αντίδρασης είναι:

7. Ο ρυθμός αντίδρασης R είναι το ολοκλήρωμα το οποίο έχει μέγιστη τιμή στο υmπου αντιστοιχεί σε αποτελεσματική θερμική ενέργεια Em όπου η ενεργός διατομή της αντίδρασης αυξάνεται σημαντικά με την ταχύτητα ή την ενέργεια και η ουρά της M-Β κατανομής μειώνεται Ο παράγοντας <συ> αυξάνεται συναρτήσει της θερμοκρασίας και στις χαμηλές θερμοκρασίες που μπορεί πρακτικά να επιτευχθούν στον αντιδραστήρα (10-30keV), η αντίδραση d+tείναι πιό ευνοϊκή.

8. Τι κάνει δύσκολη τη σύντηξη??? Φράγμα Coulomb ( Coulombbarrier). U=e2/4πε0r Για 2 πρωτόνια 5 fm: U= 244Mev Θερμοκρασία : <K> =3/2*kβΤ T=1.02x109K

9. Για την επίτευξητης σύντηξης, • Υψηλήθερμοκρασία Η υψηλή θερμοκρασίαδίνειστα άτομα υδρογόνουαρκετή ενέργεια για ναξεπεράσει την ηλεκτρικήάπωση μεταξύτωνπρωτονίων. Κανένα υλικό δεν αντιστέκεται πάνω από 5000 οΚ • Υψηλή πίεση Η πίεση συμπιέζειταάτομα υδρογόνουμαζί.Θαπρέπει να είναι εντός1x10-15 m • Plasma • απαιτεί τεράστια κινητική ενέργεια των σωματιδίων, τεράστιες θερμοκρασίες ιονισμένο πλάσμα • Πλάσμα είναι ιονισμένο αέριο. Είναι η κατάσταση της ύλης η οποία αποτελείται από • ελεύθερα θετικά ιόντα και ηλεκτρόνια.

10. Κριτήρια απόδοσης Lawsoncriterion γιαπαράδειγμα: στην περίπτωσητου πλάσματοςD-Tμε πυκνότητατωνιόντων 1021m-3, kΤπρέπει να είναι μεγαλύτερηαπό 4keV, αλλά πρέπεινα υπερβαίνει το 40keV για D-D  πλάσμα το οποίο είναιπεραιτέρωένδειξηότι το D-T είναικαλύτερο καύσιμο απόδοση ενεργείας • D-T plasma τ= χρόνος περιορισμού

11. Αναγκαία ενεργεία για την δημιουργία πλάσματος Κριτήριο απόδοσης Lawson Π.χ. D-Tplasma λειτουργείσεkT=20KeVπαίρνουμεαπόπινάκα2 Άρα Αν Τότε τ=0.3s Σε ένα D-Dplasmaμε κΤ=100ΚeV

12. Πρόοδοςπρος την κατεύθυνσηπαραγωγής ενέργειας από τη σύντηξη Τυπικές τιμές πρέπει να είναι που ικανοποιούν την κατάσταση ενός αντιδραστήρα σύντηξης είναι : Τ = 1-2x108Κ Ν = 1-2x108 πυρ/m3 P = 3-10bar Μέθοδος Σύντηξης Μαγνητικού Περιορισμού (Σ.Μ.Π.) Ένας κατάλληλος συνδυασμός μαγνητικών και ηλεκτρικών πεδίων χρησιμοποιείται για τον περιορισμό και την μόνωση του πλάσματος.

13. Περιορισμός του πλάσμα τοροειδούςσπειροειδούς πεδίου • το μαγνητικό πεδίο Β είναι κάθετοστη σελίδα • η ταχύτητα των σωματιδίων στο πλάσμα είναι παράλληλη στο Β που δεν συνεπάγεται αύξηση της • δύναμης

14. TOKAMAK Η πιο αποδοτική και σχετικά απλή μέθοδος είναι η τοροειδής διαμόρφωση του μαγνητικού πεδίου

15. Συγκροτείται από τα ακόλουθα στοιχεία: • μίγμα δευτέριου και τριτίου στο οποίο προκαλείται έναυσμα της αντίδρασης, τα σωματίδια α που παράγονται παραμένουν στην καρδιά του αντιδραστήρα για αρκετό χρόνο, αποβάλλοντας την ΚΕ μέσω συνεχών συγκρούσεων με τα λοιπά σωματίδια. • Θερμοκρασία σταθερή • Περιβάλλεται από παχύ χιτώναLi • Σύστημα μετατροπής θερμικής σε ηλεκτρική ενέργεια • Μέχρι το 1998 υπήρχαν 450 αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης σε 31 χώρες.

16. Σύντηξη των πυρήνων στο ITER

17. πυρηνική σύντηξη τεχνητά ωστόσο έχει επιτευχθεί ως τώρα μόνο στο εργαστήριο, σε μικρούς πειραματικούς αντιδραστήρες, και για διάρκεια μόλις τεσσάρων λεπτών και 25 s • κατασκευή του ΙΤΕR ο οποίος θα είναι διπλάσιος σε μέγεθος και πολλαπλάσιος σε ισχύ και επιδόσεις από τους σημερινούς πειραματικούς αντιδραστήρες σύντηξης, θα βοηθήσει σημαντικά στην πρόοδο των ερευνών. • Ο νέος αντιδραστήρας θα κατασκευαστεί βάσει της τεχνολογίας Tokamak, η οποία ξεκίνησε από τη Ρωσία και αναπτύχθηκε από πολλές χώρες.

18. Βιβλιογραφία • John Lilley-Nuclear Physics • Εισαγωγή στην πυρηνική φυσική-Π.Α.Ασημακοπούλου • Εισαγωγή στην πυρηνική φυσική-W.N.Cottingham, D.A.Greenwood