Σχάση και Σύντηξη

Εισαγωγή

Η πυρηνική σχάση και η πυρηνική σύντηξη είναι δύο διαφορετικές διεργασίες που απελευθερώνουν τεράστια ποσά ενέργειας μέσω μετατροπής μάζας σε ενέργεια, σύμφωνα με την εξίσωση του Einstein:

$$E = \Delta m \cdot c^2$$

Πυρηνική Σχάση

Ορισμός

Η πυρηνική σχάση είναι η διάσπαση ενός βαρέος πυρήνα σε δύο ή περισσότερους ελαφρύτερους πυρήνες, συνήθως με την εκπομπή νετρονίων.

Μηχανισμός

Η σχάση προκαλείται συνήθως από την απορρόφηση ενός νετρονίου:

$$^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n \rightarrow ^{236}_{92}U^* \rightarrow \text{προϊόντα σχάσης} + νετρόνια + ενέργεια$$

Ο διεγερμένος πυρήνας $^{236}U^*$ γίνεται ασταθής και διασπάται.

Παράδειγμα Σχάσης του Ουρανίου-235

$$^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + 200 \text{ MeV}$$

Τα προϊόντα σχάσης ποικίλλουν - υπάρχουν πολλοί δυνατοί συνδυασμοί.

Αλυσιδωτή Αντίδραση

Τα νετρόνια που παράγονται μπορούν να προκαλέσουν νέες σχάσεις, δημιουργώντας αλυσιδωτή αντίδραση:

• Κάθε σχάση παράγει 2-3 νετρόνια
• Αν κατά μέσο όρο 1 νετρόνιο προκαλεί νέα σχάση: κρίσιμη μάζα (σταθερή αντίδραση)
• Αν περισσότερα από 1: υπερκρίσιμη (εκθετική αύξηση)
• Αν λιγότερα από 1: υποκρίσιμη (η αντίδραση σβήνει)

Ενέργεια Σχάσης

Για κάθε πυρήνα $^{235}U$ που σχάζεται:

• Απελευθερώνεται περίπου $200$ MeV
• $1$ kg $^{235}U$ παράγει ενέργεια ισοδύναμη με $\sim 20.000$ τόνους TNT

Εφαρμογές Σχάσης

Πυρηνικοί Αντιδραστήρες:

• Ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση
• Ράβδοι ελέγχου (καδμίου ή βορίου) απορροφούν νετρόνια
• Επιβραδυντής (νερό, γραφίτης) μειώνει την ταχύτητα νετρονίων
• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

Πυρηνικά Όπλα:

• Ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση
• Υπερκρίσιμη μάζα σε ελάχιστο χρόνο

Πυρηνική Σύντηξη

Ορισμός

Η πυρηνική σύντηξη είναι η ένωση δύο ελαφρών πυρήνων για τον σχηματισμό ενός βαρύτερου πυρήνα.

Απαιτήσεις

Για να ξεπεραστεί η ηλεκτροστατική απώθηση μεταξύ των θετικά φορτισμένων πυρήνων, απαιτούνται:

• Πολύ υψηλές θερμοκρασίες: $T > 10^7$ K (θερμοπυρηνική σύντηξη)
• Υψηλή πυκνότητα: για αρκετές συγκρούσεις
• Επαρκής χρόνος εγκλωβισμού: για να ολοκληρωθούν οι αντιδράσεις

Κύκλος Πρωτονίου-Πρωτονίου (pp)

Η κύρια αντίδραση στον Ήλιο:

$$4 ^{1}_{1}H \rightarrow ^{4}_{2}He + 2e^+ + 2\nu_e + 26,7 \text{ MeV}$$

Αναλυτικά:

1. $^{1}_{1}H + ^{1}_{1}H \rightarrow ^{2}_{1}H + e^+ + \nu_e$
2. $^{2}_{1}H + ^{1}_{1}H \rightarrow ^{3}_{2}He + \gamma$
3. $^{3}_{2}He + ^{3}_{2}He \rightarrow ^{4}_{2}He + 2^{1}_{1}H$

Αντίδραση Δευτερίου-Τριτίου (D-T)

Η πιο υποσχόμενη για επίγεια σύντηξη:

$$^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H \rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + 17,6 \text{ MeV}$$

• Χαμηλότερη θερμοκρασία ανάφλεξης
• Υψηλή απόδοση ενέργειας

Ενέργεια Σύντηξης

• Ανά νουκλεόνιο, η σύντηξη απελευθερώνει περισσότερη ενέργεια από τη σχάση
• $1$ kg υδρογόνου (σε σύντηξη) → $\sim 4$ φορές περισσότερη ενέργεια από $1$ kg ουρανίου (σε σχάση)

Εφαρμογές Σύντηξης

Αστέρες:

• Η σύντηξη είναι η πηγή ενέργειας όλων των αστέρων
• Ο Ήλιος μετατρέπει $\sim 600$ εκατομμύρια τόνους υδρογόνου/δευτερόλεπτο

Θερμοπυρηνικά Όπλα:

• Βόμβα υδρογόνου (H-bomb)
• Χρησιμοποιεί σχάση για να πυροδοτήσει σύντηξη

Ελεγχόμενη Σύντηξη (υπό έρευνα):

• Tokamak (μαγνητικός εγκλωβισμός πλάσματος)
• ITER: διεθνής πειραματικός αντιδραστήρας
• Ατελείωτη, καθαρή ενέργεια - ακόμη σε ερευνητικό στάδιο

Σύγκριση Σχάσης και Σύντηξης