Strona głównaPytania → Reakcje jądrowe z wodorkiem litu...

Reakcje jądrowe z wodorkiem litu i Na24

Pytanie

Pyta Mariusz

Czy istnieje możliwość wywołania fuzji H1-H2 i H2-H2 przy pomocy wodorku litu i radioizotopu Na24? Poniżej stabelaryzowałem i oznaczyłem gwiazdką kilka reakcji oraz właściwości wybranych radioizotopów, które kolejno prowadzą do takiej tezy.

Aby przy użyciu zjawiska fotodezintegracji (fototransmutacji) lekkich jąder zaszły wymienione niżej reakcje, potrzebne są następujące energie fotonów[1][4]:
H2 $\to$ n0 + H1 – 2,2246 [MeV] *
Li6 $\to$ He3 + H3 – 15,794 [MeV]
Li6 $\to$ He4 + H2 – 1,4738 [MeV] *
Li6 $\to$ He5 + H1 – 4,5883 [MeV]
Li7 $\to$ He4 + H3 – 2,4676 [MeV] *
Li7 $\to$ He5 + H2 – 9,6148 [MeV]
Li7 $\to$ He6 + H1 – 9,9740 [MeV]

Energia promieniowania gamma dla wybranych radioizotopów [2]:
Na24: 1.368626 [MeV] @ 99.99 [%]
Na24: 2.754007 [MeV] @ 99.85 [%] *
Y88: 1.836063 [MeV] @ 99.20 [%]

Wybrane kanały fotodezintegracji jąder H2, Li6 oraz Li7 wywołanych fotonami gamma pochodzących z rozpadu następujących radioizotopów [1][4]:
Na24: y @ 2,754 [MeV] + H2 $\to$ n0 + H1 + 0,5294 [MeV]
Na24: y @ 2,754 [MeV] + Li6 $\to$ He4 + H2 + 1,2802 [MeV] *
Y88: y @ 1,836 [MeV] + Li6 $\to$ He4 + H2 + 0,3622 [MeV]
Na24: y @ 2,754 [MeV] + Li7 $\to$ He4 + H3 + 0,2864 [MeV]

Energia kinetyczna produktów zgodnie z prawem zachowania pędu i energii dla powyższych reakcji wyniesie [4]:
Na24: y @ 2,754 [MeV] + H2 $\to$ (n0 @ 0,2646 [MeV]) + (H1 @ 0,2648 [MeV])
Na24: y @ 2,754 [MeV] + Li6 $\to$ (He4 @ 0,4285 [MeV]) + (H2 @ 0,8516 [MeV]) *
Y88: y @ 1,836 [MeV] + Li6 $\to$ (He4 @ 0,1212 [MeV]) + (H2 @ 0,2410 [MeV])
Na24: y @ 2,754 [MeV] + Li7 $\to$ (He4 @ 0,1231 [MeV]) + (H3 @ 0,1633 [MeV])

Analizując dalej, wybrane kanały fuzji izotopów wodoru [1][3]:
H1 + H2 + 0,389 [MeV] $\to$ He3 + 5,4935 [MeV] *
H2 + H2 + 0,389 [MeV] $\to$ He4 + 23,8465 [MeV] *

Można zatem dojść do wniosku, że możliwa jest następująca, dwustopniowa reakcja:
1) Na24: y @ 2,754 [MeV] + Li6 $\to$ H2 @ 0,8516 [MeV] + He4
2a) H1 + H2 @ 0,8516 [MeV] $\to$ He3 + 5,96 [MeV]
2b) H2 + H2 @ 0,8516 [MeV] $\to$ He4 + 24,31 [MeV]

Jeśli mamy więc do dyspozycji krystaliczny wodorek litu zawierający Li6 oraz H1 lub H2 i jeśli umieścimy w pobliżu tej substancji radioizotop Na24, to powinno to doprowadzić do sporadycznej reakcji fotodezintegracji jąder Li6, gdzie energia H2 będącego produktem tej reakcji jest dostatecznie wysoka, by doprowadzić do fuzji ze stacjonarnymi jądrami H1 lub H2 wodorku litu.

Zakładając, że powyższe rozumowanie jest poprawne, proces ten będzie oczywiście niezwykle sporadyczny ze względu na bardzo mały przekrój czynny wyżej wymienionych reakcji. Niestety nie jest to również reakcja łańcuchowa. Ciekawostką wartą uwagi jest jednak fakt, że wykorzystując czysty wodorek 1 litu 6 oraz Na24, produktami reakcji nie będą radioaktywne izotopy.

Referencje:
[1] http://nrv.jinr.ru/nrv/webnrv/qcalc/
[2] https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html
[3] R. Bass, Nuclear Reactions with heavy ions, Springer-Verlag, NY, 1980
[4] Photodisintegration of Lithium Isotopes, Ward Andrew Wurtz, 2010

Odpowiedź

Odpowiada prof. Marek Pfutzner

Przedstawione rozumowanie jest zasadniczo poprawne. Fotony, np. emitowane przez źródło 24Na, mogą wywołać rozpad jadra 6Li na cząstkę alfa (4He) i deuteron (2H). W podanym wyżej przykładzie deuteron jest uwalniany z energią kinetyczną 0.85 MeV. Aby mógł on wywołać reakcję fuzji z protonem (1H) bądź z drugim deuteronem, powinien mieć energię co najmniej 0.39 MeV. Jest to energia tzw. bariery kulombowskiej, czyli energia potrzebna do tego, aby dwa odpychające się elektrostatycznie jądra zetknęły się. Podana tu wartość bariery kulombowskiej jest obliczona w układzie środka masy zderzających się cząstek. W przypadku, gdy deuteron o energii 0.85 MeV (w układzie laboratoryjnym) pada na spoczywający proton, energia w układzie środka masy wynosi 0.28 MeV, a więc mniej niż wymagane 0.39 MeV. Prawdopodobieństwo reakcji jest wtedy drastycznie zmniejszone, ale możliwe dzięki kwantowemu zjawisku tunelowania przez barierę potencjału. Natomiast przy zderzeniu ze spoczywającym deuteronem energia w środku masy wynosi 0.43 MeV, co wystarcza do wywołania reakcji fuzji.

Niezależnie o tych rozważań energetycznych, zaproponowany scenariusz nie ma chyba większego znaczenia praktycznego. Przekroje czynne są bardzo małe, należałoby więc użyć źródła 24Na o bardzo dużej aktywności, wymagającej osłony. Trzeba też wziąć pod uwagę to, że deuteron przechodząc przez kryształ wodorku litu szybko traci energię, jego zasięg w tym materiale będzie rzędu 30 mikrometrów. Energię wystarczającą do reakcji fuzji będzie miał tylko na krótkim, początkowym odcinku swojego toru, co zmniejsza wydajność reakcji. Ale sporadycznie reakcje te będą zachodzić.