Ջերմամիջուկային ռեակցիա

Ջերմամիջուկային ռեակցիա (հոմանիշ՝ սինթեզի միջուկային ռեակցիա), միջուկային ռեակցիայի տեսակ, որի ընթացքում թեթև ատոմային միջուկները միանում են վերածվելով ավելի ծանր միջուկների, որոնք ընթանում են շատ բարձր ջերմաստիճաններում և ուղեկցվում էներգիայի անջատումով։

Ջերմամիջուկային ռեակցիաները էկզոթերմիկ պրոցեսներ են, որովհետև սինթեզված ծանր միջուկների և այլ մասնիկների զանգվածների գումարը կամ կապի էներգիաներն ավելի մեծ են, քան առաջնային միջուկներինը։ Բարձր ջերմաստիճանները ( $\sim 10^{7}$ Κ կարգի) կամ միացող միջուկների հարաբերական մեծ էներգիաները (0,01-1 Մէվ) անհրաժեշտ են, որպեսզի հաղթահարվի դրական էլեկտրական լիցք ունեցող միջուկների վանողական ուժերով պայմանավորված էլեկտրաստատիկ արգելքը, և միջուկները միմյանց մոտենան այնքան, որ սկսի գործել միջուկային ուժեղ փոխազդեցությունը։ Այդ պայմաններում, որ բնորոշ են աստղերին և արհեստականորեն ստեղծվում են նաև Երկրի վրա, ատոմների միջուկները զրկված են էլեկտրոնային թաղանթներից, և նյութերը գտնվում են պլազմայի վիճակում։

Անվանման ծագում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Որպեսզի առաջանա սինթեզի ռեակցիա, սկզբնական ատոմների միջուկները պետք է հաղթահարեն էլեկտրոստատիկ վանողության ուժը (տես ստորև), իսկ դրա համար նրանք պետք է ունենան մեծ կինետիկ էներգիա։ Եթե ենթադրենք, որ միջուկների կինետիկ էներգիան չափվում է նրանց ջերմային շարժմամբ, ապա կարելի է ասել, որ սինթեզի ռեակցիայի համար անհրաժեշտ է մեծ ջերմություն։ Այդ պատճառով ռեակցիան կոչվում է «ջերմամիջուկային»։

Կուլոնյան արգելք[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Ատոմային միջուկները ունեն դրական էլեկտրական լիցք։ Մեծ հեռավորության վրա նրանց լիցքերը կարող են էկրանացված լինեն էլէկտրոններով։ Սակայն, որպեսզի տեղի ունենա միջուկների միաձուլում նրանք պետք է մոտենան այնպիսի հեռավորության վրա, որի դեպքում սկսում է գործել ուժեղ փոխազդեցությունը։ Այդ հեռավորությունը համեմատելի է միջուկների չափերի հետ և շատ անգամ փոքր է ատոմի չափերից։ Այդպիսի հեռավորությունների վրա ատոմների էլեկտրոնային պատյանները (նույնիսկ եթե նրանք պահպանվեին) արդեն չեն կարողանում էկրանել միջուկների լիցքերը, և այդ պատճառով նրանց վրա ազդում է ուժեղագույն էլեկտրոստատիկ վանողության ուժ։ Այդ վանողության ուժը, ըստ Կուլոնի օրենքի, հակադարձ համեմատական է միջուկների միջև հոռավորության քառակուսուն։ Միջուկների չափերին մոտ հեռավորությունների վրա ուժեղ փոխազդեցության մեծությունը, որը ձգտում է նրանց միաձուլել, սկսում է արագ աճել և դառնում է ավելի մեծ քան կուլոնյան վանողականության մեծությունը։

Այսպիսով, որպեսզի միջուկները մտնեն ռեակցիայի մեջ նրանք պետք է հաղթահարեն պոտենցիալ արգելքը. Օրինակ, դեյտերիում-տրիտիում ռեակցիայի համար այդ արգելքի մեծությունը կազմում է մոտ 0,1 ՄէՎ։ Համեմատության համար, ջրածնի իոնացման էներգիան կազմում է - 13 էվ։ Այդ պատճառով նյութը, որը մասնակցում է ջերմամիջուկային ռեակցիային իրենից ներկայացնում է գործնականորեն ամբբողջությամբ իոնացված պլազմա։

Եթե փոխանցենք 0,1 ՄէՎ-ն ջերմաստիճանի, ապա կստացվի մոտ $10^{9}$ Կ։ Սակայն կան երկու էֆեկտ, որոնք իջեցնում են ջերմամիջուկային ռեակցիայի ջերմաստիճանը։ Առաջինը, ջերմաստիճանը բնութագրում է միայն միջին կինետիկ էներգիան, կան մասնիկներ ինչպես ավելի փոքր էներգիայով, այնպես էլ մեծ էներգիայով։ Իրականում ջերմամիջուկային ռեակցիայում մասնակցում են ոչ շատ քանակով միջուկներ, որոնք ունեն միջինից ավելի բարձր էներգիա (այսպես կոչված «Մաքսվելյան բաշխման պոչը»)։ Եվ երկրորդը, քվանտային էֆեկտների շնորհիվ, պարտադիր չէ, որ միջուկները ունենան կուլոնյան արգելքը գերազանցող էներգիա։ Եթե նրանց էներգիան մի փոքր ավելի փոքր է արգելքից նրանք մեծ հավանականությամբ կարող են թափանցել նրա միջով։ Այս թափանցման փաստն էլ օգտագործվում է միջուկային սինթեզի ռեակցիաների մյուոնային կատալիզի մեջ։

Միջուկային ռեակցիաներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Աղյուսակում բերված են մի քանի ջերմամիջուկային ռեակցիա, դրանց ժամանակ անջատվող էներգիայի ( $E$ ), ռեակցիաների հավանականությունը բնութագրող հիմնական մեծության՝ առավելագույն Էֆեկտիվ լայնական կտրվածքի ( $Omax$ ) և ռմբարկող մասնիկի (ռեակցիայի բանաձևում ձախից առաջինը) էներգիայի ( $Emax$ ) արժեքները։ Ջերմամիջուկային ռեակցիաների կտրվածքների մեծ տարբերության գլխավոր պատճառը միջուկային («ետարգելքային») փոխակերպումների հավանականությունների խիստ տարբերությունն է։ Այսպես, աղյուսակում բերված 1-ին ռեակցիան, որը պայմանավորված է թույլ փոխազդեցությամբ, ընթանում է փոքր ինտենսիվությամբ (ռեակցիայի լայնական կտրվածքը շատ փոքր է), իսկ 5-րդ ռեակցիան, որն ուղեկցվում է ուժեղ կապված ${}_{}^{4}{\textrm {He}}$ միջուկի գոյացումով, ունի մեծ լայնական կտրվածք։ Եթե տիեզերական պայմաններում կարևոր նշանակություն ունի 1-ին ռեակցիան, ապա երկրային պայմաններում

Ջերմամիջուկային ռեակցիաները իրականացնելու և ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի միջոցով էներգիա ստանալու համար նպատակահարմար են 3-5-րդ ռեակցիաները։ 8-րդ և 9-րդ ռեակցիաները, որոնց արդյունքում ծնվում են ավեյի թեթև միջուկներ, քան առաջնային ${}_{}^{6}{\textrm {Li}}$ և ${}_{}^{11}{\textrm {B}}$ միջուկները, էկզոթերմիկ են՝ ${}_{}^{4}{\textrm {He}}$ միջուկի կապի մեծ էներգիայի պատճառով։ Առանձնահատուկ պայմաններում են ընթանում այսպնս կոչված մյու-կատալիզի ջերմամիջուկային ռեակցիաները, որոնց համար բարձր ջերմաստիճաններն անհրաժեշտ չեն։

(1)

D

+

T

→

⁴He

(3.5 MeV)

+

n

(14.1 MeV)

(2)

D

+

D

→

T

(1.01 MeV)

+

p

(3.02 MeV)

(50 %)

(3)

→

³He

(0.82 MeV)

+

n

(2.45 MeV)

(50 %)

(4)

D

+

³He

→

⁴He

(3.6 MeV)

+

p

(14.7 MeV)

(5)

T

+

T

→

⁴}}He

+

2

n

+ 11.3 MeV

(6)

³He

+

³He

→

⁴He

+

2

p

(7)

³He

+

T

→

⁴He

+

p

+

n

+ 12.1 MeV

(51 %)

(8)

→

⁴He

(4.8 MeV)

+

D

(9.5 MeV)

(43 %)

(9)

→

⁴He

(0.5 MeV)

+

n

(1.9 MeV)

+

p

(11.9 MeV)

(6 %)

(10)

D

+

⁶Li

→

2

⁴He

+ 22.4 MeV -

(11)

p

+

⁶Li

→

⁴He

(1.7 MeV)

+

³He

(2.3 MeV)-

(12)

³He

+

⁶Li

→

2

⁴He

+

p

+ 16.9 MeV

(13)

p

+

¹¹B

→

3

⁴He

+ 8.7 MeV

Երբ ջրածնի կամ դեյտերիումի միջուկը զավթում է $\mu$ -մեզոնը, գոյանում է մեզոատոմ, որը ոչ միայն կարող է բավականաչափ մոտենալ ջրածնի և դեյտերիումի ուրիշ միջուկների, այլև առաջացնել $HD$ մեզոմոլեկուլ, որի մեջ արդեն պրոտոնն ու դեյտրոնը բավական երկար ժամանակ մնում են միմյանց շատ մոտ, այնպես որ $p+D+\mu -\to {}_{}^{3}{\textrm {He}}+\mu -+5$ Մէվ ռեակցիայի հավանականությունը խիստ մեծանում է։ Սովետական ֆիզիկոսների տեսական և փորձարարական հետազոտությունները ցույց են տվել, որ ամեն մի $\mu$ −մեզոն, չնայած կյանքի կարճատևությանը, կարող է կատալիզել $\sim 100$ ջերմամիջուկային ռեակցաիա, և այդ եղանակը կարող է դառնալ էներգետիկորեն շահավետ։

Կիրառում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Միջուկային սինթեզի ռեակցիաների օգտագործումը, որպես գործնականորեն անսպառ էներգիայի աղբյուր, կապված է առաջին հերթին կառավարվող ջերմամիջուկային ռեակցիայի տեխնոլոգիայի նախագծման հետ։ Այս պահին գիտական և տեխնոլոգիական հնարավորությունները չեն թույլ տալիս օգտագործել կառավարվող ջերմամիջուկային ռեակցիան արտադրական ծավալներով։

Դրա հետ մեկտեղ, չկառավարվող ջերմամիջուկային ռեակցիան իր տեղն է գտել ռազմական գործում։ Առաջին ջերմամիջուկային պայթուցիկ սարքը փորձարկվել է 1952 թվականի նոյեմբերին ԱՄՆ-ում, իսկ արդեն 1953 թվականի օգոստոսին Սովետական Միությունում փորձարկվեց այսպիսի սարք ավիացիոն ռումբի տեսքով։ Ջերմամիջուկային պայթուցիկ սարքի հզորությունը (ատոմայինի համեմատ) սահմանափակված է միայն իր ստեղծման համար օգտագործված նյութի քանակով, ինչը թույլ է տալիս ստեղծել գործնականորեն ցանկացած հզորության պայթուցիկ սարքեր։

Տես նաև[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Արտաքին հղումներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

NuclearFiles.org Փաստաթղթերի շտեմարան, որոնք վերաբերվում են միջուկային էներգիային։ Արխիվացված 2016-12-15 Wayback Machine
Annotated bibliography for nuclear fusion from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues Արխիվացված 2016-03-04 Wayback Machine
[1] Արխիվացված 2020-10-26 Wayback Machine-NRL Fusion Formulary

Կազմակերպություններ

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից (հ․ 9, էջ 496)։