fuzija atomskih jezgara - hfd.hr filefuzija atomskih jezgara laboratorij. za. teškoionsku fiziku...
TRANSCRIPT
Fuzija atomskih jezgara
FuzijaFuzija atomskihatomskih jezgarajezgara
LaboratorijLaboratorij
zaza
tetešškoionskukoionsku
fizikufiziku Zavod za eksperimentalnu fizikuZavod za eksperimentalnu fiziku
Institut Institut ““RRuđeruđer
BoBošškovikovićć””, Zagreb, Zagreb
Zoran
Basrak
Znanstveni sastanak Hrvatskog fizikalnog društvaPrimošten, 5. – 8. listopada 2007.
Fuzija oko nasOtvorena pitanja nuklearne fuzijeSuperteški elementiIsčezavanje procesa fuzije
Pregled predavanja
Kemijski elemenati
u SvemiruVeliki prasak
Hadronizacija (10-3 s)protoni & neutroniPrimordijalna nukleo-sinteza (< 3 min)- deuteroni- He-3 i osobito He-4- Li-6 te Li-7
nema slobodnih neutr.nikakve teže jezgre
barionska tvar:
~4 %tamna tvar: ~23 %tamna energija: ~73 %
Kemijski elemenati
na ZemljiSastav
gornje
kore
kontinenata
O 46,6 %
Si
27,7 %Al 8,1 %Fe
5,0 %
Ca 3,6 %Na 2,8 %K 2,6 %Mg 2,1 %
-----------------98,5 %
Kemijski elemenati
na Zemlji
Fe
32,1
%O 30,1
%
Si
15,1 %Mg 13,9
%
S 2,9
%Ni
1,8 %
Ca
1,5
%Al
1,4
%
-----------------98,8
%
Jezgra Zemlje: 89 % Fe, 6 % Ni, 4 % S, 1% svi ostaliMora i oceani: 86
% O, 11 % H, 2 %
Cl, 1% Na
Atmosfera: 78 % N, 21 % O, 1 % Ar
Kemijski elemenati
Svemir -
Zemlja
Koko dolazi do nukleosinteze
?
Odgovor je:
NUKLEARNNUKLEARNAA FUZIJFUZIJAA u zvijezdama prethodne generacije
Otkud tolika razlika u sastavu ?
Iz oblaka vodika protozvijezde i galaksije(106 - 109 a)
Prva generacija zvijezda (109 a)Gravitaciono sabijanje omogućilo fuziju“Sagorjevanje vodika” (fuzija He)p-p lanac, CNO lanac, NeNaMg lanac, ...
Kemijski elemenati
-
nukleosintezaVeliki prasak
p-p lanac
–
temeljni processlabo ovisi o temperaturi (Sunce 15 MK)osnovni izvor energije (~25 MeV/ciklusu)
Iz oblaka vodika protozvijezde i galaksije(106 - 109 a)
Prva generacija zvijezda (109 a)Gravitaciono sabijanje omogučilo fuziju“Sagorjevanje vodika” (fuzija He)p-p lanac, CNO lanac, NeNaMg lanac, ...
“Sagorjevanje helija” (fuzija C, O, Ne, ...)Crveni divovi i supernove (fuzija do Fe), azahvatom neutrona (s i r procesi) do U, ...
Kemijski elemenati
-
nukleosintezaVeliki prasak
Kemijski elemenati
-
nukleosintezaDo i preko željeza
Zvijezda crveni div –
pred urušavanje
Nuklearna
fuzija
nuklearna reakcijastapanje jezgaranastaje jedindstvena složena jezgraadijabatska transformacija jednocentarskeu dvocentarsku potencijalnu jamusvi stupnjevi slobode su uravnoteženi potrebna minimalna energija (E>ECoul)
Nuklearna
fuzija
-
teorijaH.A. Bethe, teorija složene jezgre (1940.)C.Y. Wong, teorija nuklearne fuzije (1973.)
kvantnomehanički problem nabijene čestice na potencijalu s barijerom
modeliranje visine i oblika barijere BCoul + Bl(l+1) detalji tuneliranje
Oblik (deformacija) jezgre
Nuklearna
fuzija
danas
Preciznija mjerenja oko i ispod barijereSinteza superteških kemijskih elemenata
Nove eksperimentalne tehnike
Teorijski izazoviUjednačen opis fuzije iznad i ispod barijereEkstrapolacija na astrofizičke energijeNovi putevi sinteze superteških jezgaraRazlozi isčezavanja fuzije
SOLITAIRE
PRISMA
M. R
odrig
uez
–M
. Das
gupt
a,
Fusi
on 2
006,
Ven
ecija
, 200
6
C.L
. Jia
nget
al.,
PR
L 93
(200
4) 0
1270
1
Nove eksperimentalne tehnike
Nuklearna
fuzija
–
otvorena pitanja
Oblik i visina barijere- pobuđenje niskoležećih stanja- uloga slabovezanih nukleona- uloga izospina- utjecaj drugih reakcijskih mehanizama
mjerenja duboko ispod barijere - tuneliranje izuzetno osjetljivo na detalje
potencijalne barijere
zaprečavanje ili pojačanje fuzije
Oblik potencijalne barijere
Druga derivacija ovisnosti udarnog presjeka o energiji sudara daje
uvid
u
svojstva
potencijalne
barijere.
J. L
eigh
et a
l., P
hys.
Rev
. C52
(199
5) 3
151
krivulja pobuđenja
za fuziju
derivacija krivulje
pobuđenja
sloslosložžžena struktura ena struktura ena struktura barijerebarijerebarijere
V(r
)radius
Vezanje kanalau terminologiji nuklearnih reakcija svakakvantnomehanička realizacija sustava senaziva kanal (nuklearne reakcije)prilikom sudara jezgara mogu se pobuditiniskoležeća (“kolektivna”) stanja jezgarateorija uvažava ta pobuđenja vezanjemkanalapobuđenje vibracio-nih stanja zovemofononi
A.M
. Ste
fani
niet
al.,
Phy
s. R
ev. L
ett.
74(1
995)
864
Suradnja Zagreb –
LNL, Legnaro
(Padova)
Izospinski
efekti
A.M
. Ste
fani
niet
al.,
Phy
s. R
ev. C
73 (2
006)
034
606
Vezanje niskoležećih kolektivnih vibracionih
stanja ne daje dobro poravnanje podataka! Moguće objašnjenje je doprinos transfera više nukleona.
Sve
kombinacije jezgara40,48Ca i 90,96Zr: Z1
Z2
= const.
Ekstrapolacija u astrofizičko područjeMjerenja duboko ispod barijere snažno pojačavaju osjetljivost na fine detalje potencijalne barijere
Područje temperatura od važnosti za astrofizičke primjene: T9
~ 0,1 –
4 MeV
S faktor: S(E) = σE exp(2πη)Logaritamska derivacija: L(E) = d[ln(σE)] / dE
C.L
. Jia
nget
al.,
Phy
s. R
ev. L
ett.
93 (2
004)
012
701
Osnovne specifičnosti -
dugi “rep”
poteniijala
-
uloga kanala “loma” (breakup)
Fuzija slabo vezanih jezgara
D.J
. Hin
deet
al.,
Phy
s. R
ev. L
ett.
89 (2
002)
272
701
Primjer berilija-9
Dublji uvid u ulogu različitih reakcijskihkanala - zaprečavanje ili pojačanje fuzije
Potpunija mjerenja duboko ispod barijere - tuneliranje izuzetno osjetljivo na detalje potencijalne barijere
standardni nuklearni potencijal ne opisujeistodobno podatke iznad i ispod barijere:
potreban radikalno novi teorijski pristup (npr. dinamički)
Vruća pitanja fuzije na i ispod barijere
Kemijski elementi do
“nuklearne ere”Bez nuklearnih postupaka kemija
“popunila”
tek
83 mjesta
“Novi”
kemijski elementiElementi iz urana (raspad
i “uhvat
n”)
Teškoionska
fuziija
Nuklearni “krajolik”
(karta nuklida)
Na Zemlji
je udio stabilnih izotopa veći od 99.999+%99.999+%..
~290 stabilnih nuklida
Dosad otkriveno više od 3000 nuklida
godina
br. p
ozna
tih
izot
opa Povijest otkrića
izotopa
Model kapljice
108
Hs
108
Hs
T1/2
~10-19
s
T1/2
~1015
s
Model ljusaka
Eklatantan primjerdvostruko magična jezgrahasija-272 (Z=108, N=164)
vjerojatnost spontane fisije- model kapljice
T1/2 ~ 10-19 s- model ljusaka
T1/2 ~ 1015 s
Stabilizacijski efekti ljusaka
Stabilizacijski efekti ljusakaProračuni daju za magičnu jezgru Z=116 / N=164
faktor stabilizacije do nevjerojatnih 1030, a predviđanja su još
izrazitija za N=184
Sinteza nobelija
254 (Z = 102)
48Ca: Z = 20, N = 28208Pb: Z = 82, N = 126
Z = 102, N = 154
Vodeče
institucije -
Laboratorij Flerova
za nuklearne reakcije, Zajednički
institut za nuklearna istraživanja (JINR), Dubna, Rusija -
Gesellschaft
für
Schwerionenforschung
(GSI),
Darmstadt, Njemačka -
Lawrence
Livermore
National
Laboratory
(LLNL), SAD
Sinteza elemenata
107 –
112
Ideja ruskih teoretičara (JINR, Duban, 1974) (pokušaji 1977-85)Realizirano u GSI, Darmstadt
s filterom
brzina SHIP
mete: 208Pb, 209Bi
projektili: Cr, Fe, Ni
i Zn,
“Hladna”
fuzija: Eexc
~
10 –
15 MeV
Sinteza elemenata
113
–
118
(bez 117)
Izračuni ruskih teoretičaraprethodili mjerenjima.U Dubni osjetljivost mjernog uređaja povečana
1000-struko
u odnosu na 1980-te.projektil:
48Ca
mete (LLNL): Pu, Am, Cm, Cf
“Vruća”
fuzija: Eexc
~
30 –
40 MeV
Zajednički projekt JINR –
LLNL
Sintetizirani elementi Z=112-118 s N=172 do 177.
• 1998.: element Z=114 (N=175)• 2000.: element Z=116 (N=177)• 2004.: elementi Z=115 (N=173),
Z=113 (N=171)
• 2006.: element
Z=118 (N=179)
Sinteza elemenata
113
–
118
(bez 117)
Tipično mjerenje: 2 mj. s 3–10 “pravih” događajaDetekcija: α čestice i fragmenti fisije
48Ca (248 MeV) + 243Am 291115 288115 + 3n 5α
Du-268 (Z=105, N=163) FF
(ECoul
= 236 MeV)
Svojstva teških jezgara
Sintetizirano preko 200 nuklida i određeni su im dominantni načini i vremena raspada
“Otok”
stabilnosti superteških
jezgara
Projektili teži od kalcija-48Kako dalje ?
ideja “inverzne fisije”= simetrična fuzija
- puno neutrona- visoka barijera zbog
maksimalnog Z1*Z2provjera koncepta
136Xe+136Xe 272Hs (Bfis~6.8 MeV)
Neutronima bogatiji sustavi
Gdje je granica superteških
jezgara ?
Razilaženja
u modelima i do 109
A gdje je granica
fuzija ?
b
dσ
= 2πb db
projektil meta
p
A gdje je granica
fuzija ?
mehanizam reakcije ovisi o param. sudara
tok ulaznih čestica se ”dijeli” na razne reakcijske kanale, a njihov broj raste s Ein
b
bmax dσ
= 2πb db
p
bbmax
dσ/ d
b
σ
σσ = = σ(σ(ll )) ll FUSFUS
projektil meta
dominira utjecaj nuklearnog srednjeg poljaPaulijev princip zamrzava nukleon-nukleon raspršenja
Od Coulombove
barijere do ~20 MeV/u
σσ TOTTOT
= = σσ FUSFUS
+ σ + σ B.P.B.P.
Globalno ponašanje
σσ TOTTOT
∼ ∼ σσ FUSFUS
centralni sudari:
fuzijaperiferni sudari:
elastični,
neelastični, kvazielestični
i dubokoneelastični
procesi
projektil meta
relativna brzina projektil-meta
projektil meta
relativna brzina projektil-meta
kF
slabi utjecaj nuklearnog srednjeg poljaotvara se fazni prostor za nukleon-nukleon raspršenja
σσ TOTTOT
= = σσ FUSFUS
+ σ + σ B.P.B.P.
Globalno ponašanje
centralni sudari:
nepotpuna fuzijaperiferni sudari:
izrazitiji duboko-
neelastični procesi
Oko Femijeve
energije (~35 MeV/u)
σσ TOTTOT
∼ σ∼ σ INC.FINC.FUSUS
Jako vruće jezgre !!!
Opće uvjerenje do sredine 90-ih
Binarni
disipativni
sudari–
BDC se pojavljuju
oko
Fermijeve
energijeNeovisno o
-
centralnosti
sudara- veličini sustava-
asimetriji
sustava
V .M
e tiv
ier e
t al .
(I ND
RA
Col
labo
ratio
n ), N
ucl .
P hy s
. A67
2 (2
000)
357
.
σσ TOTTOT
< 0.05 < 0.05 σσ FUSFUS
Emisija nabijenih čestica
J. P
e te r
et a
l ., N
ucl .
P hy s
.A59
3 (1
995)
95 .
Kalorimetrijski rekonstruirana masa primarnogQP jednaka masi projektila !?
Tako “rekonstruirani” primarni QP ekstremnovruć
Y .-G
. Ma
e t a
l., P
h ys.
Le t
t . B
390
(199
7) 4
1.
Ar (95 MeV/u) Ni
Mehanizam reakcije BDC tipa
Rana faza sudara (do podjele):kompaktni brzomijenjajućisustav
Druga faza sudara: Pojavaprimarnog QP & QT
Proces u dvije faze
Ph. E
ude s
, Z. B
asra
k an
d F .
Se b
il le ,
Phy
s. R
ev. C
56 (1
997)
200
3.
Simulacija dinamike sudara jezgara modelom Landau-Vlasova
Ar ( 65 MeV / u ) Al
Ar ( 65 MeV / u ) Al
Uloga
geometrije
sudara
Emisija nabijenih čestica i maksimumi
topline
(Eth
/A) i sabijanja po nukleonu
(Acompr
/A) su
proporcionalni geometrijskom preklopu
prokjeltila
i mete.Usljed međudjelovanja
NN sudara i
Paulijevog
principla u
zoni prekrivanja.
I . N
ovo s
e l, Z
. Bas
rak
e t a
l., P
hys.
Le t
t. B
625
(200
5) 2
6.
F . H
add a
d et
al .,
Phy
s.
Rev
. C60
(199
9) 0
3160
3 .
Čeoni sudari
Univerzalna
linearna zakonitost potvrđuje eminentnu
ulogu
“tvrdih”
NN sudara.
A targ
(A targ
+ A proj
) 2Eavail
=c.m. E proj
A proj
A projOvisnost o raspo- loživoj
energiji
I. N
ovo s
e l, Z
. Bas
rak
e t a
l., P
hys.
Le t
t. B
625
(200
5) 2
6.
Ovisnost podsistemskih
omjera za
Eth
/A o upadnoj
energiji
za čeone sudare
Omjer za projektil
=(Eth
/A)proj
Omjer za metu
=
(Eth
/A)sys
(Eth
/A)targ
(Eth
/A)sys
Što je asimetrija
sustava veća to je promjena režima sudara brža i izrazitija
Omjer
maksimuma
termičke energ.
I. N
ovo s
e l, Z
. Bas
r ak
et a
l ., P
hys.
Le t
t . B
625
(200
5) 2
6.
Oko Fermijeve
energije prozor nuklearne kvaziprozirnosti
Presudna uloga geometrije sudara.
Oko Fermijeve energije dolazi do funda-mentalne promjene mehanizma sudara od fuzije u binarne disipativne sudare usljed- slabljenja zaustavne moći srednjeg polja- još nedovoljnog broja NN raspršenja da,
a da bi nadomjestili nedostajuću zaustavnu moć sudara
Tranzijentno
područje
Provjera kvaziprozirnostiIzospinska
opservabla
Simulacije modelom Landau-Vlasova izospinski
asimetrične
reakcije
48Ca + 40Ca
na
40 MeV/u
N/ZN/ZQPQP
=1.27 =1.27 ––
1.311.31
N/Z N/Z omjeromjer
kvazikvaziprojeprojekktiltila a u ovisnosti o u ovisnosti o bb
b < 2 fmb < 2 fm
Mjerenja načinjena u LNS, Catania, Italija (eksperiment C-71)
i u
GANIL-u, Caen, Francuska (eksperiment
E-503).
Nuklearna
fuzija
2007.
Fuzija se Fuzija se Fuzija se “““uspijeuspijeuspiješššnonono””” opire punom opire punom opire punom razumjevanjurazumjevanjurazumjevanju sudarasudarasudara okookooko i i i dubokodubokoduboko ispodispodispodCCCoulomboulomboulombovovove e e barijerebarijerebarijere
Periodni sustav elemenata joPeriodni sustav elemenata joPeriodni sustav elemenata joššš nije nije nije konakonakonačččananan
Naglo Naglo Naglo isisisčččezavanjeezavanjeezavanje fuzije oko fuzije oko fuzije oko FermijeveFermijeveFermijeveenergije je posljedica promjene dinamikeenergije je posljedica promjene dinamikeenergije je posljedica promjene dinamikesudara uzrokovane nuklearnom sudara uzrokovane nuklearnom sudara uzrokovane nuklearnom kvazikvazikvazi---prozirnoprozirnoprozirnošššććću ? u ? u ?
Fuzija & energijaposljednji korak prema komercijalnom reaktoru ?planirani proračun: oko 20 milijardi USDSmješten u Francuskoj (Cadarache)
Suradnici
Suzana Szilner, Zagreb (suradnja s LNL-INFN, Legnaro,Italija – Kolaboracija Prisma – Clara)
Ivan Novosel, Zagreb (bio znanstveni novak na projektu)Philippe Eudes, Francois Sebille i Ferid Haddad,Subatech, Nantes, Francuska (višegogdišnja suradnja Zagreb – Nantes)
Kolaboracija Chimera (suradnja s LNS-INFN, Catania,Italija)
Kolaboracija INDRA (suradnja s GANIL, Caen, Francuska)
Hvala na pažnji !
Fuzija atomskih jezgara
FuzijaFuzija atomskihatomskih jezgarajezgara
LaboratorijLaboratorij
zaza
tetešškoionskukoionsku
fizikufiziku Zavod za eksperimentalnu fizikuZavod za eksperimentalnu fiziku
Institut Institut ““RRuđeruđer
BoBošškovikovićć””, Zagreb, Zagreb
Zoran
Basrak
Znanstveni sastanak Hrvatskog fizikalnog društvaPrimošten, 5. – 8. listopada 2007.
p-p lanac
–
temeljni processlabo ovisi o temperaturi (Sunce 15 MK)osnovni izvor energije (~25 MeV/ciklusu)
Elementi
atomskog
broja
Z > 100
višekratni uhvat neutrona (bomba, reaktor)fuzija s α česticama (ciklotron)
Elementi
atomskog
broja
Z = 93 –
100
fuzija s teškim ionimanepremostivi problemi za Z > 106rješenje u “hladnoj” fuziji (106 < Z < 112)za ići dalje korištena “vruća” fuzija i izotopi
bogati neutronima: 48Ca i mete transuraniza Z > 118 traže se nove ideje
Sinteza novih kemijskih elemenata
Stabilizacijski efekti ljusakatransurani se vrlo brzo raspadaju procesom
nuklearne fisije (“cjepanje” teške jezgre)Model kapljice je uveden da bi se opisao
proces nuklearne fisije – jezgra nabijeniviskozni fluid (Niels Bohr i John Wheeler)
Nukleoni u jezgri zbog vezanja “staze” ispina (L-S veza) zaposjedaju energetskinehomogena stanja – tvore ljuske
efekti ljusaka – stabilnija jezgramogućnost sinteze elemenata s
atomskim brojem Z
>105.
spektroskopija i kemija superteškihelemenata
A ima
li
fuzija granicu ?
bbmax
dσ/ d
b
σ
mehanizam reakcije ovisi o param. sudaratok ulaznih čestica se ”razdijeli” na razne reakcijske kanale čiji broj raste s Ein
centralnim sudarima dominira fuzijagranični kutni moment lfuz
kod perifernih sudara projektil i meta negube u potpunosti svoje polazne nukleone
b
bmax dσ
= 2πb db
projektil meta
Kutni moment vrtnje l je
proprcionalan
s
parametrom sudara bp
l = b x p
nukleoni u osnovnom stanju popune stanja do kF (r Fermijeve sfere)
Fermijeva energija u jezgrama ~35 MeV
kod niskih energija Fermijeve sfereprojektila i mete se preklapaju
porastom energije Fermijeve sferaprojektila i mete se počinju razdvajati
uz djelovanje srednjeg polja otvara sefazni prostor za izravne sudare nukleona(Paulijev princip od manjeg utjecaja)
Što se mijenja porastom energije ?
kF
projektil meta
relativna brzina projektil-meta
nukleoni u osnovnom stanju popune stanja do kF (r Fermijeve sfere)
Fermijeva energija u jezgrama ~35 MeV
kod niskih energija Fermijeve sfereprojektila i mete se preklapaju
porastom energije Fermijeve sferaprojektila i mete se počinju razdvajati
uz djelovanje srednjeg polja otvara sefazni prostor za izravne sudare nukleona(Paulijev princip od manjeg utjecaja)
Što se mijenja porastom energije ?
projektil meta
relativna brzina projektil-meta