Какова теоретическая эффективность термоядерного синтеза?

Каков теоретический предел количества энергии, которое можно извлечь из реакции синтеза? Я говорю не о практической эффективности реактора, а о том, какая доля массы-энергии может быть высвобождена.

Из теоретически возможных реакций синтеза, объединяющих 56 свободных нуклонов в 56 Fe высвободит 9,1538 МэВ на нуклон. Объединив 28 свободных протонов и 34 нейтрона в 62 Ni дал бы немного более тесную связь на нуклон . Это, по-видимому, представляет собой эмпирический предел для синтеза, превращающего 0,00935605478 (железо) и 0,0096783439 (никель) ядерной массы в энергию. Таким образом, этот предел кажется ≈ 0,97%. Для сравнения, протон-протонная цепочка, ведущая к 4 Его эффективность составляет 0,7%.

Но в принципе могли существовать и другие, неизвестные формы слияния. Недавнее открытие слияния кварков примерно в восемь раз более энергично, чем обычное слияние, хотя это довольно нестандартная форма слияния, поскольку в нем участвуют тяжелые кварки. Мы можем обобщить термоядерный синтез как процесс реорганизации существующей материи для высвобождения энергии за счет увеличения энергии связи из-за сильного взаимодействия (при этом не будет учитываться гравитационная аккреция). Если бы странная материя, стабильная при нулевом давлении, существовала, она, по-видимому, представляла бы собой еще более эффективную цель для термоядерного синтеза. Представляется вероятным, что синтез с участием полной сильной силы, а не остаточной сильной силы, будет более эффективным.

Итак, с учетом этих соображений, существуют ли нетривиальные теоретические верхние границы того, насколько эффективной может быть реакция синтеза?

Ответы (1)

Я не вижу никаких теоретических границ, как в эффективности термодинамических машин. Предел будет исходить из того, что мы называем «слиянием», а вместо этого мы называем «другие взаимодействия частиц».

Электрон и антиэлектрон, обе стабильные частицы, могут взаимодействовать и «сливаться», становясь просто чистыми фотонами, поэтому в этом примере реакция синтеза электронов -> фотонов эффективна на 100%.

Я буду называть «слиянием» реакцию между частицами, которые мы можем собрать и собрать, а затем получить положительную чистую энергию от слияния. Водород, дейтерий и тритий, мы можем собрать их из воды, а затем заставить их слиться, чтобы высвободить больше энергии. Антиэлектрон, нет, вокруг не так много свободных антиэлектронов, которые мы можем практически использовать. Аналогичная история с «слиянием кварков»: мы можем наблюдать его в экспериментах по столкновениям, но мы не можем выбрать свободные кварки из океана (я знаю, что некоторые из них прячутся!) и собрать их достаточно, чтобы произвести полезную энергию.

Возможно, есть какой-то способ вызвать распад протонов, чтобы мы могли преобразовать большую часть их массы в энергию. Во всяком случае, я не буду называть это слиянием. Ядро никеля действительно является самой низкоэнергетической архитектурой? Мы можем попросить нейтронную звезду однажды замерзнуть.

Если мы ограничимся нормальными атомами, наиболее эффективным известным практическим синтезом будет производство гелия из изотопов водорода; возможно, есть и другие очень нестабильные изотопы, которые могут выделять больше энергии. В экспериментах со столкновениями мы можем создавать чрезвычайно нестабильные изотопы, которые выделяют много энергии при рекомбинации в более стабильные состояния. Это слияние? Да, но не практический источник энергии.

Я думаю, что в практических приложениях со стабильными изотопами «избыток массы» изотопа можно рассматривать как меру теоретического максимума энергии, которую можно собрать. Ваш расчет по получению никеля из голых нуклонов, вероятно, лучший.

Резюме: нет верхней границы начальной энергии свободной частицы, которую мы можем комбинировать. Нижняя граница (исключая антивещество) может быть протоном и ядром никеля. Может быть.

Обратите внимание, что я явно говорил об ограничениях энергии, высвобождаемой при увеличении связи (на частицу) из-за сильного взаимодействия; аннигиляция лептонов не в счет. Урожайность и практичность также не имеют значения. Вы как будто просто утверждаете, что есть предел - но что мы знаем об этом пределе?
ну, мы знаем, что никель эмпирически самый низкий; и полуэмпирическая массовая формула; мы можем сделать некоторые приблизительные расчеты с моделями ядерных оболочек. Сегодня мы не можем аналитически решить ядро ​​никеля, не уверены даже в гораздо более простом ядре гелия. Ни одно стабильное ядро ​​с более низкой энергией еще не появилось. Может быть, какое-то сверхтяжелое ядро ​​может иметь меньшую энергию. Я не знаю. Любое связанное состояние с более низкой энергией либо представляет собой более крупное ядро, о котором мы не знаем, либо должно включать какую-либо форму распада протона. Из которых я не знаю. С практической точки зрения, никель по-прежнему находится в самом низу.
Верхней границы для энергии отдельных частиц до слияния, я уверен, нет, просто они становятся менее устойчивыми. Итак, теоретически нет верхнего предела эффективности термоядерного синтеза; аннигиляция лептонов, ладно, была немного экстремальной, но я думаю, что в этом есть смысл.
Во всяком случае, мне трудно поверить, что причудливый никель должен быть нижним совершенством. Однажды я попытался изучить модель ядерной оболочки и был поражен, увидев, как мало мы на самом деле знаем. Мы знаем лишь некоторые грубые практические приближения.
Связь «слияния кварков», кажется, вписывается в приведенное выше описание, что более высокая энергия высвобождается только из-за более высокой энергии исходных составляющих. Нет нового более низкого энергетического состояния.
извините, наконец, краткое изложение о пределе низкой энергии перестройки: протон кажется адроном с самой низкой энергией и кажется стабильным. Почему, потому что один распад мы не наблюдали, а другие наблюдаемые адроны тяжелее. Никаких принципиальных теоретических причин, извините. Все остальные частицы, наблюдаемые со странными кварками, выглядят более тяжелыми и быстро распадаются. Никель кажется стабильным и представляет собой комбинацию адронов с самой низкой энергией. Да потому, что мы взвесили его на точных весах, и это действительно так. Некоторые полутеоретические мотивы для этого, такие как модели «капля» и «мешок».
Мораль: мы ничего не знаем о пределах, которые находятся за пределами нашей досягаемости. Мы многое знаем о практических пределах нашей досягаемости.
хорошо, я отредактирую тело ответа с приведенным выше хвастовством
Какова теоретическая эффективность термоядерного синтеза?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v