Synteza

Synteza
Definicja
Synteza – łączenie, to ogólnie akt budowy czegoś bardziej skomplikowanego z
prostszych elementów; może mieć charakter materialny ( np. reakcje
chemiczne ) jak i abstrakcyjny ( synteza stylów literackich ). Przeciwieństwem
syntezy jest analiza ( rozkład, rozpad ).
Reakcja termojądrowa, synteza jądrowa lub fuzja jądrowa – zjawisko polegające
na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe, w wyniku fuzji mogą
powstawać obok nowych jąder też wolne neutrony, protony, cząstki elementarne
i cząstki alfa.
Różne jądra atomowe mają różną energię wiązania przypadającą na nukleon.
Największą energię wiązania przypadającą na jeden nukleon ma żelazo.
Przebieg reakcji
W wyniku reakcji egzotermicznej wydzielona energia ( w postaci energii
kinetycznej produktów i promieniowania gamma ), zostaje rozproszona na
otaczających atomach i przekształca się na energię cieplną. Energię
wydzielającą się podczas reakcji można wyznaczyć bez przeprowadzania reakcji
na podstawie deficytu masy, czyli różnicy mas składników i produktów reakcji.
Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i dlatego się odpychają – aby
doszło do ich połączenia muszą zbliżyć się na tyle, aby siły oddziaływań
jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne. Niezbędnym warunkiem do
tego jest prędkość ( energia kinetyczna ) jąder. Wysoką energię jąder uzyskuje
się w bardzo wysokich temperaturach lub rozpędzając jądra w akceleratorach
cząstek.
Przedrostek „termo” pochodzi od głównego sposobu, w jaki wywoływana jest ta
reakcja, w gwiazdach i bombie wodorowej, czyli przez podniesienie
temperatury do kilkunastu milionów kelwinów, reakcja może też przebiegać w
wyniku zderzania się rozpędzonych jąder atomowych, wówczas nazywana jest
zimną fuzją.
Reakcja termojądrowa jest głównym, poza energią grawitacyjną, źródłem
energii gwiazd.
Kontrolowana synteza termojądrowa - reakcja termojądrowa, która miałaby
polegać na syntezie jąder deuteru i trytu. W tym procesie mogą wystąpić
następujące reakcje:
2H + 2H → 3H + p + 4,03 MeV
2H + 2H → 3He + n + 3,27 MeV
2H + 3H → 4He + n + 17,59 MeV
W przypadku powodzenia ludzkość uzyskałaby niewyczerpujące się źródło
energii, mimo że w zwykłej wodzie jest tylko 0,015% D2O. Energia uzyskana z
syntezy deuteru zawartego w 1 dm^3 wody byłaby równa energii uwolnionej w
procesie spalania 500 kg węgla kamiennego.
Niestety przeprowadzenie kontrolowanej syntezy termojądrowej nie jest tak
łatwe jak konstrukcja reaktora jądrowego. Podstawową trudnością jest
utrzymanie deuteru w temperaturze 108 K przez dostatecznie długi czas, żeby
bilans energetyczny był dodatni. W takiej temperaturze gaz znajduje się w stanie
plazmy, czyli zjonizowanego gazu będącego mieszaniną jonów dodatnich i
elektronów.
Bomba termojądrowa, zwana też bombą wodorową (ang. H-bomb) jest bombą,
w której głównym źródłem energii wybuchu jest reakcja termojądrowa
zachodząca podczas jej wybuchu. Bomby wodorowe mają największą z
dotychczas skonstruowanych bomb oraz siłę wybuchu równoważną wybuchowi
milionów ton (megaton) trotylu.
1 listopada 1952 amerykańscy fizycy pod kierunkiem Edwarda Tellera
doprowadzili na atolu Eniwetok do pierwszego wybuchu bomby termojądrowej
"Mike". Bomba wykorzystywała deuter i tryt jako paliwo termojądrowe. Siłę
wybuchu oszacowano na 10,4 megaton (MT) czyli około 700 bomb jądrowych
zrzuconych na Hiroszimę. W 8 miesięcy później, 20 sierpnia 1953 na terytorium
radzieckim miała miejsce eksplozja bomby wodorowej (bomba H), którą
wykryły zachodnie sejsmografy.
Reakcja termojądrowa, to synteza jąder lekkich pierwiastków, w wyniku której
powstają jądra cięższe o większej energii wiązania w przeliczeniu na jeden
nukleon. Warunkami umożliwiającymi reakcję syntezy jest silne rozpędzenie
jąder atomowych (wysoka temperatura) oraz duża koncentracja odpowiednich
jąder. Warunki takie uzyskuje się przez wybuch bomby jądrowej, w centrum
której umieszczono materiał do syntezy termojądrowej.
Ze względu na to, że wybuch bardzo szybko rozrzuca reagujące materiały
należy zastosować w bombie materiały umożliwiające przeprowadzenie reakcji
termojądrowej w jak najniższej temperaturze. Pierwsze bomby zawierały deuter
i tryt, ale tryt nie jest zbyt trwały (ma względnie krótki okres półtrwania – 12,26
lat) i tak skonstruowanej bomby nie można zbyt długo przechowywać.
Rozwiązaniem jest generowanie trytu w trakcie wybuchu bomby. Tryt
otrzymywany jest z litu poprzez bombardowanie jego jąder neutronami
pochodzącymi głównie z rozszczepienia jąder ładunku inicjującego, którym jest
zazwyczaj uranowa lub plutonowa bomba jądrowa o stosunkowo niewielkiej
mocy. Zastosowanie związków deuteru i trytu z litem znacznie upraszcza
konstrukcję bomby, umożliwiając przechowywanie tych substancji w stanie
stałym, bez instalacji chłodzących.
Najpotężniejszą eksplozją, która kiedykolwiek wstrząsnęła światem była
detonacja radzieckiej bomby cara. Bomba została zdetonowania 30 października
1961 na wysokości 4 km na Nowej Ziemi. Siłę jej wybuchu oszacowano na 58
megaton (prawie 4000 bomb zrzuconych na Hiroszimę) i dano miano "Zabójcy
Miast". Wybuch wzniecił w górę takie ilości pyłów, że zasłoniły niebo na
Nowej Ziemi na długi czas. Przyczyną takiej siły wybuchu były duże ilości
materiałów nagromadzonych w bombie. Konstrukcja bomby umożliwiała
wybuch z mocą 150 MT, jednakże siłę eksplozji ograniczono z obawy przed
trudnymi do przewidzenia skutkami wybuchu.