Почему только легкие ядра способны к ядерному синтезу, а не тяжелые ядра?

Более тяжелые ядра также могут подвергаться синтезу, но это не очень полезно для производства энергии. Одной из причин, как вы упомянули, является энергия связи, приходящаяся на нуклон. Давайте посмотрим на кривую энергии связи (изображение взято из Википедии ):

Железо-56 имеет самую высокую энергию связи на нуклон, что означает, что это самое стабильное ядро. Грубо говоря, элементы, оставшиеся на этом графике от железа-56, могут выделять энергию при синтезе. Вы также можете сплавить элементы тяжелее железа-56, но это будет стоить вам только энергии.

Еще одним ограничением, на котором реакции синтеза можно использовать для производства энергии, является кулоновский барьер. Когда вы хотите слить вместе два ядра, вы должны сблизить их очень близко друг к другу, в пределах досягаемости ядерной силы . Помните, однако, что ядра состоят из нейтронов и протонов, поэтому они заряжены положительно. Это означает, что для того, чтобы свести два ядра очень близко друг к другу, вы также должны совершить работу против кулоновской силы, которая пытается их раздвинуть.

Когда вы используете более тяжелые ядра, в них будет больше протонов, и поэтому кулоновское отталкивание между ядрами будет увеличиваться. Это означает, что вам нужно приложить больше энергии, чтобы слить ядра вместе. Поскольку это только снижает эффективность процесса, целесообразно использовать более легкие ядра для ядерных термоядерных реакторов.

Аналогия: нуклоны слипаются из-за какого-то мощного клея (потому что иначе они бы разлетелись, особенно протоны, потому что они имеют положительный заряд и поэтому отталкиваются друг от друга). Большим ядрам требуется больше клея, но пока вы не достигнете примерно 26 протонов (то есть железа), количество клея на каждый лишний нуклон будет уменьшаться. Пройдя эту точку, он снова начинает увеличиваться. Существует своего рода структурная особенность, которая позволяет железному ядру соединяться с меньшим количеством клея (на нуклон), чем любое другое ядро.

Итак, если вы возьмете тяжелое ядро ​​и разорвете его на части, вы получите дополнительный клей, потому что в соединении частей используется меньше клея, чем в тяжелом ядре. Это деление: лишний клей — это дополнительная энергия.

Точно так же, если вы возьмете легкие ядра и сожмете их вместе, пока они не слипнутся, вы также получите дополнительный клей: продукт синтеза использует меньше клея, чем то, с чем вы начали в двух неслитых ядрах.

Слияние с нелегкими ядрами возможно , но становится все труднее, потому что:

• Ядра отталкиваются друг от друга до тех пор, пока не окажутся достаточно близко, чтобы возникло сильное взаимодействие («клей»). Ядра с большим количеством протонов имеют больший электрический заряд, поэтому они сильнее отталкиваются друг от друга. Чтобы заставить их слиться, вам нужно ударить их друг о друга более сильно.

• Чем тяжелее исходные элементы, тем меньше лишнего клея вы получите от сплава. Помимо железа, баланс отрицательный: для работы синтеза требуется дополнительная энергия. Таким образом, вам не только нужно приложить дополнительные усилия, чтобы заставить их слиться, но и слияние вытянет вашу температуру, то есть то самое, что вы используете, чтобы слияние произошло.

Посмотрите, что происходит с большими звездами: обычно они сливают водород, но когда водород начинает заканчиваться, они сжимаются, и их внутренняя температура увеличивается до тех пор, пока более высокая температура не позволяет синтезировать более тяжелые элементы. В конце концов, очень большие звезды заканчивают тем, что осуществляют невыгодные слияния и могут производить очень тяжелые ядра, такие как уран, хотя и в очень малых количествах. Вот как мы могли бы получить уран на Земле.

В земных приложениях , таких как производство электричества или военное дело, нас интересуют реакции, которые производят энергию, а не реакции, которые потребляют энергию, поэтому мы используем синтез для легких ядер и деление для тяжелых ядер.

Есть интересный случай с гелием. Гелий использует особенно мало «клея», меньше, чем более тяжелый литий, поэтому деление лития энергетически выгодно. Один цикл деления лития превращает два ядра лития-6 в три ядра гелия-4 в виде двух последовательных делений с участием протонов в качестве катализаторов. На бумаге это очень хорошо, потому что включает только относительно распространенные элементы, кажется поддающимся «цепной реакции» (поскольку вы получаете протоны катализатора с дополнительной энергией) и является анейтронным, следовательно, теоретически «чистым». К сожалению, такое деление лития оказывается неустойчивым, потому что «протоны катализатора» очень быстро теряют свою энергию в любой приличной плазме — «цепной эффект» работает плохо.

Ну, мы все знаем о том факте, что каждая система пытается минимизировать свою потенциальную энергию. Теперь потенциальная энергия тяжелых ядер больше, чем у легких ядер. Если бы он столкнулся со СЛИВОМ, это привело бы к уменьшению энергии связи В СООТВЕТСТВИИ С КРИВОЙ ЭНЕРГИИ СВЯЗИ.

Следовательно, деление приведет к более высокой энергии связи, что является предпочтительным. Однако для более легких ядер ДЕЛЕНИЕ приведет к уменьшению энергии связи, поэтому здесь предпочтительнее синтез. Может произойти и наоборот, но это будет стоить вам энергии .