Что такое ядерный синтез?
Ядерный синтез описывает физику двух или более атомных ядер, сливающихся с образованием более крупных элементов — тип процесса, который происходит на Солнце.
Причина, по которой это захватывающая перспектива в производстве энергии, заключается в том, что такое атомное слияние может высвободить большое количество энергии. Если мы сможем использовать это высвобождение энергии, человечество потенциально может получить доступ к обильному, неисчерпаемому источнику в значительной степени устойчивой и чистой энергии.
На данный момент до такого достижения еще далеко, но исследователи по всему миру постоянно развивают эту область, внося постепенные улучшения, которые постепенно приближают нас к этой цели.
Как работает ядерный синтез?
Атомы растут по мере того, как протоны собираются во все большие и большие группы, связанные сильным ядерным взаимодействием. Это притяжение возникает из-за взаимодействия между тройками составляющих их частиц, называемых кварками.
Благодаря кулоновской силе — силе притяжения или отталкивания между частицами из-за их электрического заряда — протоны, как правило, держатся на значительном расстоянии друг от друга — слишком далеко, чтобы ядерная сила могла удержать.
Нейтроны, с другой стороны, не имеют заряда, поэтому они не отталкиваются, что позволяет им перемещаться относительно близко к другим ядерным частицам с небольшими усилиями. Благодаря различиям, называемым спином, нейтроны и протоны, расположенные близко друг с другом, могут слипаться, образуя простое атомное ядро.
Теоретически протон, объединенный с нейтроном, может связываться с другим партнером протона и нейтрона, при этом нейтроны действуют как своего рода посредники. Но заставить несколько протонов собраться достаточно близко, чтобы мощная ядерная сила взяла верх, — сложная задача. Даже относительно простое слияние двух атомов дейтерия (водород, состоящее из протона и нейтрона) для образования атома гелия-3 требует давления того же типа, что и в ядрах таких объектов, как наше Солнце.
Для появления еще более крупных элементов, таких как углерод, нужно поддерживать температуру не менее 100 миллионов градусов Кельвина — в шесть раз горячее, чем в ядре Солнца.
Слияние ядер с образованием еще более тяжелых элементов, таких как золото и уран, требует фантастической мощности.
Как ядерный синтез производит энергию?
Производство термоядерной энергии зависит от разницы в количестве энергии, необходимой для удержания ядерных частиц.
Если вы возьмете альфа-частицу — пару протонов и пару нейтронов, сгруппированных вместе — и взвесите ее, вы получите массу 4,00153 единицы. Однако взвесьте каждый атом индивидуально, и общая сумма составит 4,03188 единиц.
Следуя уравнению «Энергия = Масса x Квадрат скорости света» (да, это E = mc2), разница в массе также является разницей в энергии. Связанные вместе частицы обладают меньшей энергией, чем когда они разделены; поэтому, когда они сливаются, эта лишняя энергия высвобождается.
Выкованная глубоко в недрах Солнца и других звезд, такая энергия медленно достигает поверхности, где излучается волнами в виде электромагнитного излучения или солнечного света.
Здесь, на Земле, физики и инженеры разрабатывают различные устройства, которые могут помочь нам получить и использовать энергию, выделяемую в результате ядерного синтеза. И когда-нибудь им это обязательно удастся.