融合反応

核融合は、軽元素間の核反応がより重い元素 (鉄を含む) を形成するプロセスです。相互作用する原子核が原子番号の小さい元素 (水素 [原子番号が 1 に等しい] またはその同位元素である重水素と三重水素など) に属する場合、かなりの量のエネルギーを放出します。

核分裂および核融合反応に関する研究資料

融合反応

核融合反応は、2 つ以上の小さくて軽い原子が融合して、より重くて大きい原子が生成されるときに発生します。核融合反応には、高温と高密度環境が必要です。この反応を完了するには非常に高いエネルギーが必要です。しかし、核融合反応で放出されるエネルギーは、核分裂反応で放出されるエネルギーの 3 ～ 4 倍です。

核融合反応は、太陽を含む星に基本的なエネルギー源を提供します。星の進化は、熱核反応と元素合成が長期間にわたって組成変化を引き起こすため、いくつかの段階を経たものと見なすことができます。水素 (H) の燃焼は、星のソース核融合エネルギーを開始し、ヘリウム (He) の生成につながります。

実用的な核融合エネルギーの生成は、燃焼してヘリウムを生成する最も軽い元素間の核融合反応にも依存します。

重元素を分割する核分裂反応などの軽元素間の核融合反応は、結合エネルギーと呼ばれる核物質の重要な特性によりエネルギーを放出します。結合エネルギーは、融合または分裂によって解放されます。核の結合エネルギーは、その構成要素である核子が結合している効率の尺度です。

原子核に Z 個の陽子と中性子を持つ元素を考えてみましょう。元素Aの原子量はZ+Nで、元素の原子番号をZとします。結合エネルギーBは、Z個の陽子とN個の中性子を別々に取り、結合した核子との質量差に関係するエネルギーです( Z + N) 質量 M の原子核内。

したがって、結合エネルギーは次のように与えられます

B=(Z+N-Mc)²

ここで、

mn=中性子の質量

mp=陽子の質量

c =光速

核融合反応で放出されるエネルギー

結果として得られる粒子の総質量が初期反応物の質量よりも小さい場合、核反応でエネルギーが放出されます。これを決定するには、X と a の 2 つの核が反応して、Y と b の 2 つの他の核を形成することを考慮する必要があり、それは次のように与えられます。

X+a→Y+b

パーティクル a そして b 陽子または中性子である核子ですが、一般的には任意の原子核である可能性があります。ここで、粒子が内部で励起されていない (つまり、すべてが基底状態である) と考えてください。Q と呼ばれるエネルギー量は、この反応の値であり、次のように与えられます。

Q=mx+ma-mb-my)c²

ここで、

m =質量を表す

c =光速

エネルギー値が Q の場合 が陽性の場合、反応は発熱性です。エネルギー値が Q の場合 が負の場合、反応は吸熱的です (つまり、エネルギーを吸収します)。陽子の総数と中性子の総数の両方が反応の前後で保存される場合（D-T 反応など）、Q -値は、次のように与えられる各粒子の結合エネルギー B によって決定されます

Q=By+Bb-Bx-Ba

核分裂反応

核分裂反応は、中性子が不安定な同位体で衝撃を受けると発生します。このタイプの反応は制御が困難です。しかし、初期条件を達成するのは簡単です。核分裂反応では、原子が 2 つ以上の小さくて軽い原子に分割されます。核分裂反応により、放射性の高い粒子が生成されます。

クリティカルエネルギー

原則として、十分に高い励起状態になると、どの核も分裂する可能性があります。核分裂が起こるためには、与えられた核種の励起エネルギーが特定の値を超えていなければなりません。核分裂に必要な最小励起エネルギーは、臨界エネルギーまたは閾値エネルギーと呼ばれます。

結論

核融合反応は、2 つ以上の小さくて軽い原子が融合して、より重くて大きい原子が生成されるときに発生します。

核の結合エネルギーは、その構成要素である核子が結合している効率の尺度です。

結合エネルギーは次のように与えられます

B=(Z+N-Mc)²

エネルギー値が Q の場合 が陽性の場合、反応は発熱性です。

エネルギー値が Q の場合 陰性の場合、反応はエネルギー的です。

核分裂反応は、中性子が不安定な同位体で衝撃を受けると発生します。このタイプの反応は制御が困難です。

核分裂に必要な最小励起エネルギーは、臨界エネルギーまたは閾値エネルギーと呼ばれます。