열핵융합

Thermonuclear fusion

열핵융합은 원자핵이 결합하거나 융합하는 과정으로, 원자핵이 이것이 가능해지도록 서로 충분히 가깝게 하기 위해 고온을 사용합니다.열핵융합에는 두 가지 형태가 있다: 열핵무기("수소폭탄")와 대부분의 별에서와 같이 제어되지 않은 방식으로 에너지가 방출되고, 그리고 핵융합 반응은 방출된 에너지의 일부 또는 전부를 건설적으로 이용할 수 있는 환경에서 일어난다.목적들.

온도 요건

온도는 입자의 평균 운동 에너지를 측정하는 것이므로, 물질을 가열함으로써 에너지를 얻을 것이다.로슨 기준에 의해 주어진 충분한 온도에 도달한 후, 플라즈마 내의 우발적인 충돌 에너지는 쿨롱 장벽을 극복할 수 있을 정도로 높아지며 입자들이 함께 융합될 수 있습니다.

를 들어 중수소-삼중수소 융합 반응에서 쿨롱 장벽을 극복하는 데 필요한 에너지는 0.1MeV이다.에너지와 온도를 변환하면 12억 켈빈을 초과하는 온도에서 0.1 MeV 장벽이 극복된다는 것을 알 수 있습니다.

실제 온도를 낮추기 위해 필요한 두 가지 효과가 있습니다.하나는 온도가 평균 운동 에너지라는 사실인데, 이것은 이 온도에서 어떤 원자핵은 실제로 0.1 MeV보다 훨씬 높은 에너지를 가지고 있는 반면 다른 원자핵은 훨씬 더 낮을 것이라는 것을 암시한다.핵융합 반응의 대부분을 설명하는 것은 속도 분포의 높은 에너지 꼬리에 있는 핵이다.또 다른 효과는 양자 터널링입니다.핵은 실제로 쿨롱 장벽을 완전히 극복하기 위해 충분한 에너지를 가질 필요는 없다.만약 그들이 거의 충분한 에너지를 가지고 있다면, 그들은 남아있는 장벽을 통해 터널을 뚫을 수 있다.이러한 이유로 인해 낮은 온도에서 연료는 여전히 낮은 속도로 핵융합 이벤트를 겪게 됩니다.

열핵융합핵융합 에너지를 생산하기 위해 연구되고 있는 방법 중 하나이다.열핵융합이 유리해지면 세계 탄소발자국이 크게 줄어들 것이다.

감금

열핵융합을 달성하는데 있어 중요한 문제는 뜨거운 플라즈마를 어떻게 제한하느냐이다.고온으로 인해 플라즈마는 고체 물질과 직접 접촉할 수 없으므로 진공에 위치해야 합니다.또한 고온은 고압을 의미합니다.혈장은 즉시 팽창하는 경향이 있으며 혈장에 대항하기 위해 약간의 힘이 필요합니다.이 힘은 별의 중력, 자기 구속 핵융합로의 자기력, 또는 플라즈마가 팽창하기 전에 핵융합 반응이 일어날 수 있기 때문에 플라즈마의 관성이 물질을 함께 유지하는 것입니다.

중력 구속

로슨 기준을 만족시킬 만큼 연료를 잘 가둘 수 있는 힘은 중력이다.그러나 필요한 질량은 너무 커서 중력 구속은 에서만 발견되는데, 핵융합을 지속할 수 있는 가장 가벼운 별은 적색왜성이며, 갈색왜성은 충분한 질량을 가지면 중수소리튬을 융합할 수 있다.충분히 무거운 별에서는 중심핵에서 수소의 공급이 고갈된 후 중심핵(또는 중심핵 주변의 껍질)이 헬륨과 탄소를 융합하기 시작합니다.가장 질량이 큰 별들(최소 태양 질량 8~11)에서, 그 과정은 가벼운 원소들과 철을 융합함으로써 에너지의 일부가 생성될 때까지 계속된다.철은 결합 에너지가 가장 높기 때문에 무거운 원소를 생성하는 반응은 일반적으로 흡열성이 있습니다.따라서 상당한 양의 무거운 원소들은 거대한 별의 진화 기간 동안 안정적인 기간 동안 형성되지 않고 초신성 폭발로 형성됩니다.일부 가벼운 별들은 또한 오랜 시간에 걸쳐 별의 외부 부분에서 핵융합 과정에서 방출되는 중성자를 흡수함으로써 이러한 원소들을 형성합니다.

이론적으로 철보다 무거운 모든 원소들은 방출할 수 있는 잠재 에너지를 가지고 있다.매우 무거운 원소 생산의 끝에서, 이러한 무거운 원소는 핵분열 과정에서 철의 크기로 다시 쪼개지는 과정에서 에너지를 생산할 수 있습니다.따라서 핵분열은 수십억 년 전에 별의 핵합성 과정에서 축적된 에너지를 방출한다.

자기 구속

전하를 띤 입자(예: 연료 이온)는 자기장 라인을 따릅니다(가이드 센터 참조).따라서 강한 자기장을 사용하여 퓨전 연료를 가둘 수 있습니다.토카막스텔라레이터의 트로이덜 형상 및 개방형 미러 구속 시스템을 포함한 다양한 자기 구성이 존재합니다.

관성 구속

세 번째 제한 원칙은 핵융합 연료 펠릿 표면의 많은 부분에 빠른 에너지 펄스를 가하여 매우 높은 압력과 온도로 동시에 "임플로드"하고 열을 가하는 것입니다.연료가 충분히 밀도가 높고 충분히 뜨거우면 핵융합 반응 속도는 연료가 소멸되기 전에 상당한 부분을 태울 정도로 높아집니다.이러한 극한 조건을 달성하려면 초기 냉연료를 폭발적으로 압축해야 합니다.관성 감금은 수소 폭탄에 사용되며, 운전자는 핵분열 폭탄에 의해 만들어진 X선이다.관성 구속은 "제어된" 핵융합에서도 시도되며, 여기서 드라이버는 레이저, 이온 또는 전자빔 또는 Z-핀치이다.또 다른 방법은 기존의 고폭약 재료를 사용하여 연료를 핵융합 [1][2]상태로 압축하는 것입니다.UTIAS 폭발물 구동 내폭 설비는 D-D 반응에서 중성자를 생성하기 위해 안정적이고 중심적이며 집중적인 반구 내폭을[3] 생성하기 위해 사용되었다.가장 단순하고 직접적인 방법은 중수소-산소의 화학측정학적 혼합물에 있는 것으로 입증되었다.또 다른 성공적인 방법은 미니어처 보이텐코 [4]압축기를 사용하는 것인데, 이 압축기에서 평면 다이어프램은 내폭파에 의해 [5]한 대기에 순수한 중수소 가스가 포함된 2차 작은 구형 공동으로 구동되었다.

정전 구속

정전기 구속 융합 장치도 있다.이 장치들은 정전장을 이용하여 이온을 제한한다.가장 잘 알려진 것은 퓨저입니다.이 장치는 양극 와이어 케이지 안에 음극이 있습니다.음이온은 음의 안쪽 케이지 쪽으로 날아가고, 이 과정에서 전계에 의해 가열된다.내부 케이지를 놓치면 충돌하고 융합할 수 있습니다.그러나 이온은 일반적으로 음극에 닿아 엄청나게 높은 전도 손실을 일으킵니다.또한 광선 [6]형태의 에너지 손실과 같은 물리적 효과의 경쟁으로 인해 퓨저의 융접 속도는 매우 낮다.중립적이지 않은 클라우드를 사용하여 필드를 생성함으로써 케이지와 관련된 문제를 방지하기 위한 설계가 제안되었습니다.여기에는 플라즈마 발진 장치,[7] 페닝 트랩 및 [8]폴리웰이 포함됩니다.그러나 이 기술은 상대적으로 미숙하고 많은 과학적 및 공학적인 문제들이 남아 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ F. 윈터버그 "열핵점화를 위한 고압하에서 형성된 준안정 초폭발물"
  2. ^ Zhang, Fan; Murray, Stephen Burke; Higgins, Andrew(2005) "초압축폭발방법[dead link]장치"
  3. ^ I.I. 글래스와 J.C.포인샷 "임파션 구동 충격 튜브"NASA
  4. ^ D. Sagie와 나.I. 유리(1982) "융접 플라즈마 생성을 위한 폭발성 구동 반구 함몰"
  5. ^ T. 사이토, A. K. 쿠디안, 그리고 나.I. Glass "웨이백 머신에 보관된 2012-07-20 폭발 포커스 온도 측정"
  6. ^ 이온 흐름과 핵융합 반응성, 구체적으로 수렴하는 이온 포커스의 특성 분석.박사 학위 논문, 티모시 A 토르슨 박사, 위스콘신 매디슨 1996년
  7. ^ "정전기 구속 장치의 안정적, 열 평형, 큰 진폭, 구형 플라즈마 진동", DC 반즈와 Rick Nebel, PLASMAS Volume 5의 물리학, 1998년 7월 7일
  8. ^ Carr, M.; Khachan, J. (2013)"전자만의 낮은 베타 폴리웰 자기장에서의 전위 우물 형성에 대한 편향된 프로브 분석"플라스마 물리 20(5): 052504.비브코드:2013PhPl...20e2504Cdoi: 10.1063/1.1204279