能源在聚变反应

能量的释放核反应如果合成粒子的总质量小于初始反应物的质量。为了说明这一点,假设两个原子核,标记X和一个,反应形成两个核,Y和b,表示X+一个→Y+b。粒子一个和b通常的核子,质子或中子,但总的来说可以是任何核。假设所有的粒子内部兴奋(即。每个处于基态),所谓的能源数量问这个反应的价值被定义为问= (米_x+米_一个−米_b−米_y)c²,在哪里米字母是指每个粒子的质量c是光的速度。当能源值问是正的,反应是放热的;当问是负的,反应是吸热的(即。,吸收能量)。当总质子数和总中子数字保存之前和之后的反应(如蒸反应),然后问值可以表示的结合能B每个粒子的问=B_y+B_b−B_x−B_一个。

蒸聚变反应积极问值为2.8×10⁻¹²焦耳。高度差的聚变反应是放热的,问值为6.7×10⁻¹⁴焦耳。开发一个适合这些数据,可以考虑一公吨(1000公斤,或近2205磅)氘将包含约3×10吗³²原子。如果一吨氘消耗通过聚变反应氚,释放的能量将是8.4×10^20.焦耳。这可以与能量coal-namely一吨,2.9×10¹⁰焦耳。换句话说,一吨氘的能量相当于大约290亿吨煤炭。

率和收益率的聚变反应

能源产量原子核之间的反应,这些反应都是重要的。这些量核等科学领域产生深远的影响天体物理学和潜在的核生产电能。

当一个粒子的一种通过相同或不同类型的粒子的集合,有一个可测量的粒子将互动的机会。粒子可能会相互作用在许多方面,如简单散射,这意味着它们改变方向和交换能量,或者他们可能经历一个核聚变反应。的粒子将被称为互动的可能性横截面,横截面的大小取决于类型的交互和状态和能量的粒子。截面和原子的产物密度目标粒子称为宏观截面。的逆宏观截面尤其值得注意,因为它给出了平均距离事件粒子前将旅游与目标交互粒子;这叫做反措施平均自由程。横截面测量通过产生一束一个粒子在一个给定的能量,使梁与(通常薄)交互目标相同或不同材料制成的,和测量变形量或反应产物。这样可以确定一种类型的聚变反应的相对可能性与另一个,以及为特定反应的最佳条件。

聚变反应的横截面可以测量实验或计算理论上,他们已经确定了许多反应在一个广泛的粒子的能量。他们是众所周知的实际聚变能的应用程序和相当有名,虽然差距,恒星演化。聚变反应核之间,每一个都有积极的负责一个或多个的实际应用和最重要的核合成的光元素的燃烧阶段的恒星。然而,众所周知,两个带正电的原子核互相排斥electrostatically-i.e。,他们的经验力距离的平方分离成反比。这种斥力叫做库仑势垒(看到库仑力)。不大可能,两个积极的核方法彼此密切足以发生聚变反应,除非他们有足够的能量来克服库仑势垒。因此,带电粒子之间的横截面的聚变反应是非常小,除非粒子的能量很高,至少10⁴电子伏特(1 eV≅1.602×10⁻¹⁹焦耳)和经常超过10⁵或10⁶电动汽车。这就解释了为什么一个的中心明星必须为燃料燃烧热,为什么燃料实际聚变能源系统必须加热到至少50000000开尔文(K;90000000°F)。只有这样一个合理的融合反应速率和权力输出。

库仑势垒的现象也解释了由核聚变能源之间的根本区别核裂变。虽然重元素的裂变诱导通过质子或中子,代裂变能量实际应用依赖于中子诱发裂变反应铀或钚。没有电荷,中子是免费进入细胞核,即使它的能量对应的房间温度。聚变能,是依靠光核之间的聚变反应,发生只有当粒子足够的能量来克服库仑斥力。这需要生产和加热高温气体反应物的状态被称为等离子体状态。

的等离子体状态

通常情况下,等离子体是一种气体有相当大一部分组成原子或分子的离解电离一个或更多的电子。这些自由电子使等离子体进行电荷,和等离子体是唯一的物质热核反应可以发生在自给自足的方式。天体物理学和磁聚变研究等领域,需要广泛的知识的等离子气体的行为状态。星星,太阳风和星际空间的例子目前物质处于等离子体状态。非常高温等离子体完全电离气体,这意味着中性的气体原子带电粒子的比例很小。例如,电离能的氢13.6电动汽车,而平均能量的氢离子在50000000 K的等离子体是6462 eV。因此,基本上所有的氢等离子体电离。

一个反应速率参数更合适的等离子体状态是通过占的粒子在等离子体,在任何气体,有能量的分布。也就是说,不是所有的粒子都有相同的能量。在简单的等离子能量分布的麦克斯韦玻耳兹曼分布律,气体的温度和等离子体,在一个比例常数,三分之二的平均粒子能量;即。,the relationship between the average energyE和温度T是E= 3kT/ 2,k是波尔兹曼常数,8.62×10⁻⁵电动汽车/开尔文。核聚变反应在等离子体的强度派生的产品的平均粒子的速度和横截面的分布对应于麦克斯韦速度分布。横截面的反应取决于粒子的能量和速度。平均过程收益率函数对于一个给定的反应,只取决于温度,可以表示f(T)。释放的能量(即。,the power released) in a reaction between two species,一个和b,是P_一个b=n_一个n_bf_一个b(T)U_一个b,在哪里n_一个和n_b物种的密度吗一个和b在等离子体,分别U_一个b每次释放的能量吗一个和b经历一次聚变反应。的参数P_一个b适当考虑给定的反应速率和能量收益率每个反应(看到图)。