Reakcje pycnonuklearne Czyli sen ludzkoci o zimnej fuzji

Reakcje pycnonuklearne Czyli sen ludzkości o zimnej fuzji jądrowej Marcin Kolonko, IMGW Kraków (2015) Czas: 35 minut

Plan wystąpienia • Kilka słów o terminach i historii • Rozkład Maxwella i energia Gamow’a • Wybrane reakcje wewnątrz gwiazd • Kosmiczne marzenia – ziemskie wykonanie • Gwiazdy neutronowe, białe karły, akrecja • Pozostałe konteksty dotyczące pycnoreakcji

Kilka terminów • Pycnos oznacza „gęsty”, „zwarty”, „kompaktowy” • Reakcja łańcuchowa (chain reaction) – zachodząca z narastającą intensywnością • Reakcja egzoenergetyczna – w której zysk energii przeważa nad wkładem, Eout > Ein • Tunelowanie – przekroczenie deterministycznie wyznaczonej bariery potencjału poprzez np. „ogon” rozkładu prędkości atomów/cząsteczek/nukleonów • Barn = 10^-28 m^2 = 100 fm^2, jednostka przekroju czynnego (powierzchni) równa s(uranu), dosłownie „buda” – etymologia z czasów projektu Manhattan

Astrofizyczni „giganci” XXw. Hans Bethe (1907 – 2005) George Gamow (1904 - 1968)

Reakcje termonuklearne • Prekursorem teorii powstawania energii w „zwykłych” gwiazdach (ciągu głównego) – Hans Bethe (nagroda Nobla za cykl CNO, 1967) • Cykle p-p, CNO – egzoenergetyczne ale wymagające wysokich temperatur, T > 10^7 – 10^9 K • Najcięższe pierwiastki w nich osiągane to Fe, Ni • Cięższe pierwiastki – produkowane w wybuchach supernowych i w gwiazdach neutronowych

Produkcja energii w gwieździe ciągu głównego

Spalanie w masywnych gwiazdach

Bariera kulombowska i tunelowanie przez protony z „ogona” rozkładu

Rozkład Maxwella – Boltzmanna prędkości protonów w gwieździe

Wzór (rozszerzenie) Salpeter’a • Tempo reakcji pycnonuklearnych jest przyspieszane przez elektrostatyczne ekranowanie • Wzór Salpeter’a można wyprowadzić na 5 sposobów. • Jednym z nich jest podejście WKB (J) lub (J) WKB (matematyczny trik przy rowiązywaniu równania różniczkowego), polegające na pomnożeniu najwyższej pochodnej przez mały parametr e

Podejście WKB (1926) • Nie „broni się” przy bardzo wysokich gęstościach • Gamow penetrtation factor gdzie • - Inne metody otrzymywania wzoru Salpeter’a to: Wyliczenie macierzy gęstości Obliczenie energii swobodnej Wyprowadzenie z kwantowej teorii pola.

Procesy spalania w gwiazdach

Reakcje pycnonuklearne • W jądrach białych karłów lub w wewnętrznych skorupach gwiazd neutronowych • Nie wymagają ekstremalnych temperatur (10^610^8 Kelwinów) • Zachodzą gdy elektrony ekranują jądra i jest przekroczona (tunelowana) bariera kulombowska • Perspektywa pozyskiwania energii w laboratoriach, dzięki silnej wiązce lasera

Niektóre procesy w GN - rp

Wychwyt elektronu w GN

Materia zwykła i zdegenerowana – ekranowanie jonów przez elektrony

Głębiej w GN – neutron drip • Dla wysokich gęstości w gwiazdach neutronowych zachodzi „wyciek” (leakage) wolnych neutronów • Powstaje mieszanka elektronów, jonów i neutronów • Zachodzi przy gęstości 10^11 - 10^12 g/cm^3 • Poniżej tej granicy – jądro GN zachowuje się jak duże jądro atomowe i taką też ma gęstość • Atomy w warunkach ziemskich są bardzo „puste”

Alchemia reakcji „pycno”

Rodzaje fuzji jądrowej Tf – electron degeneracy temperature

Tempo reakcji a gęstość

Rodzaje plazmy i techniki fuzji • Plazma P – P, 1. 5 *10^7 K • • Plazma P – D (najbardziej aktywna dla r~10^3 g/cm^3) Zjawisko couplingu (parowania) • • Plazma D – D (4 He), 4. 0*10^7 K Energia 100 e. V odpowiada nadfioletowi, l ~ 10 nm (miękkie prom. X) • Problem – plazma o temp. 100 e. V nie jest dość gęsta! • Magnetic confinement fusion – lata 1970 -te, próby bez powodzenia • • Plazma D – T (2 He, Z, e), 4. 5 *10^7 K Laser ICF (inertial confinement fusion), 10 mg fuel targets

Tabelki częstości reakcji dla różnych gęstości materii R – ratio of wave amplitude at the nuclear radius to that at the center, S – form factor (Me. V * Barn)

Aparatura – laser ICF i „tarcza”

Zjawiska w plaźmie – niestabilność Rayleigh’a-Taylor’a Spotykana w wybuchach supernowych, chmurach (mushroom clouds), M 1 (Krab) gdzie występują obok siebie ciecze o różnych gęstościach i się nie mieszają. Powyżej – 0. 69 ns z niestabilnością RT

Nowe źródło energii – nadzieja dla ludzkości czy szarlataneria?

Ale to już było. . . – blamaż Fleischmann’a i Pons’a (1989)

Zamiast wniosków – per analogiam. . .

Struktura „zwykłej” GN

Funkcja gęstości protonu i elektronu w miarę wzrostu degeneracji materii

Akrecja na GN

Strzałkami zaznaczono reakcje przynoszące najwięcej ciepła (synteza jąder).

Ścieżka stabilnych nuklidów

Wpływ na warunki eksplozji SN I

Literatura • Jarczyk, Lucjan „Foton” 95 (zima 2006) – „Energia gwiazd – Hans Bethe”. • Wiescher, M. „Nucleosynthesis in thermonuclear and pycnonuclear burning environments” (2010), ppt • Yakovlev, D. G. , Chugunov, A. I. , Gasques, L. , Gnedin, O. Y. , Haensel, P. , Levenfish, K. P. , Wiescher, M. „Pycnonuclear reactions” (2006), ppt • Bahcall, J. N. , Brown, L. S. , Gruzinov, A. , Sawyer, R. F. „The Salpeter plasma correction for solar fusion reactions”, A&A (2002) • Beard, Mary – „Reaction Rates Calculations in Dense Stellar Matter” – Frontiers (2005), ppt • Yakovlev, D. G. – APPB, 25 (1994) „Nuclear Reactions in dense stellar matter” • Wikipedia, Google Images