Fusion von Proton und Neutron?

Bei der Durchsicht einiger Probleme in einem Grundschulbuch stieß ich auf einen Hinweis auf die Reaktion p + n → d + "Energie".

Ist das möglich? Ich sehe keinen Grund, warum nicht, aber ich finde mit Google überhaupt keine Erwähnung dieser Reaktion. Es scheint mir, dass die "Energie" eine Kombination aus kinetischer Energie von Deuteron und einem Gamma sein müsste.

Es ist wahrscheinlich möglich - aber denken Sie daran, dass freie Neutronen instabil sind und in a zerfallen p + e − v ¯ e Triplet innerhalb von etwa fünfzehn Minuten, also wird Ihr Problem zunächst darin bestehen, das Neutron zu bekommen. Das macht diese Reaktion so selten bzgl p p → d e + Fusion in den Google-Ergebnissen.
schau mal auf en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe#Hadron_epoch , zu dieser Zeit sind die Energien und Dichten so, dass Neutronen auf Protonen treffen können :)
@annav Danke. Ich erinnerte mich, dass ich mir dieser Reaktion im frühen Universum bewusst war, aber ich konnte keinen Hinweis darauf finden.
Irgendwie eine blöde Frage, aber: Was ist " d "?
@ACuriousMind ein Deuteron (dh der einzigartige gebundene Zustand eines Protons und eines Neutrons).
@ACuriousMind Manchmal wird ein Deuteron mit Großbuchstaben geschrieben D , genau wie das Deuteriumatom ( ein Deuteronkern mit einem Elektron in der Umlaufbahn).

Antworten (5)

Natürlich ist die Reaktion möglich. Es bedarf nicht einmal besonderer Umgebungsbedingungen. Da die Neutronen keine Ladung haben, müssen sie keine starke Coulomb-Barriere überwinden, um mit Atomkernen zu interagieren, und finden glücklich jeden Kern, der sie bei thermischen Energien einfangen kann. KamLAND (zum Beispiel) verlässt sich auf diese Reaktion als verzögerten Teil der Verzögerungs-Koinzidenz beim Nachweis von Anti-Neutrino-Ereignissen im Detektor. In der Mineralölumgebung von KamLAND haben die freien Neutronen eine mittlere Lebensdauer 200 μ s .

Neutroneneinfang selbst an einem Proton setzt 2,2 MeV frei. Chlor, Bor und Gadolinium sind allesamt bessere Mittel zum Einfangen von Neutronen als wasserstoffhaltige Moleküle wie Wasser und Öle, und das Einfangen dieser Absorber setzt sogar noch mehr Energie pro Ereignis frei.

Warum also springen nicht alle herum und jubeln der Fusion bei Raumtemperatur zu und prognostizieren eine schöne Zukunft voller sicherer und reichlich vorhandener Energie?

Weil es keine ausreichende Versorgung mit freien Neutronen gibt. Mit ihrer etwa 15-minütigen Beta-Zerfalls-Lebensdauer gibt es keine natürlich vorkommende Reserve und Sie können sie ohnehin nicht speichern.

Wie sieht es in einem Leichtwasserreaktor aus? Ich stelle mir vor, dass der relative Beitrag zur fühlbaren Energie sehr gering ist, aber haben Sie eine Ahnung, wie hoch der Beitrag ist - dh der n, p-Reaktion - bei so viel Wasser (2 Protonen pro Molekül) in Gegenwart eines anständigen Neutronenflusses?

Die Reaktionen p + n --> D und D + n --> T sind die Grundlage für den Unterschied zwischen leichtem und schwerem Wasser, das als Moderator in Spaltreaktoren verwendet wird. Weil die erstere Reaktion einen größeren Querschnitt hat und mehr Neutronen aus der Neutronenökonomie der Kettenreaktion stiehlt.

Aufgrund des optimalen Protonen/Neutronen-Massenverhältnisses wäre leichtes Wasser ein besserer Moderator als schweres Wasser, da es Neutronen schneller auf thermische Geschwindigkeit abbremst. Das wäre es, ist es aber nicht, da dieser Effekt durch eine höhere Neutronenabsorption aufgehoben wird.

Das Ergebnis ist, dass während Schwerwassermoderator den Bau von Spaltreaktoren mit nicht angereichertem Uran erlaubt, Reaktoren mit Leichtwassermoderator angereichertes Uran benötigen. ( typischerweise 2-3 % 235U, statt der natürlichen 0,7 % )

Ich möchte der Aussage von dmckee widersprechen, es gibt sehr gute und stabile Neutronenquellen in Spaltkraftwerken. Bezugnehmend auf die Frage von garyp, ob die p + n - D + "Energie" als exotermer Prozess abläuft, so dass die richtigen Bedingungen in kleinen experimentellen Kernkraftwerken vorhanden sind. Das Neutron ist zwar nur relativ kurze Zeit stabil, aber diese Zeit würde ausreichen, um eine Fusionsreaktion auszuführen. Ich nehme an, es wäre ein interessantes Experiment, einen Spaltungsprozess mit einem Fusionsprozess in einem Versuchskraftwerk zu kombinieren, indem das Adsorptionsmedium modifiziert wird, um Deuterium mit zusätzlicher thermischer Energie zu erzeugen. Es könnte zur Energie des Kühlmediums beitragen. Der entstandene Deuteriumkern könnte auch für weitere Experimente in D,T-Reaktionen verwendet werden.

Moderierte Neutronen in einem Nuklearhaufen fangen ein und tragen ihre Einfangenergie zu der von der Anlage entwickelten Wärme bei. Aber das reduziert lediglich eine mögliche Quelle der Ineffizienz bei der Umwandlung verfügbarer spaltbarer Energie in eine nützliche Form. Sie können auch handelsübliche Neutronengeneratoren kaufen, die durch künstlich induzierte Fusion arbeiten, aber Sie müssen mehr Energie in den Generator stecken, als Sie – selbst theoretisch – aus den Neutronen zurückgewinnen können.
Quantitativ setzt eine Uranspaltungsreaktion etwa 200 MeV frei. Die Gewinnung eines 2-MeV-Photons aus dem Neutroneneinfang auf Wasser anstelle von beispielsweise einem 8-MeV-Photon aus dem Neutroneneinfang auf Cadmium ist ziemlich tief im Unkraut der Wärmetechnik.
Was die Extraktion des Deuteriums betrifft, so hat die Transmutation ihre eigenen Herausforderungen . Für mein Diplomarbeitsexperiment betrachte ich einen schwachen Wechselwirkungseffekt in n p → d γ , mussten wir ungefähr beobachten 10 18 Neutroneneinfänge, um die gewünschte statistische Sensitivität zu erhalten; Wir haben daher ein paar Mikrogramm Deuterium gemischt mit vielleicht einem Kilogramm gewöhnlichem Wasserstoff hergestellt, wobei wir mehr als ein Jahr lang einen der intensivsten Neutronenstrahlen der Welt verwendet haben. Natürliches Deuterium ist bereits weiter verbreitet.
In Bezug auf Robs Experiment möchte ich nach dem Energiebereich des Neutrons fragen, der vom Neutronengenerator kommt. Bekanntlich ist Wasserstoff ein gutes Medium für die Absorption von Neutronen, aber ich nehme an, es muss ein optimales Energieniveau sein – vielleicht in der Nähe des thermischen Bereichs – wo der Neutroneneinfang durch Fusion ein Maximum erreichen könnte und die D -Ertrag des Systems ist viel höher als in Robs Experiment. (Gibt es eine Möglichkeit, die Publikation über das Experiment zu lesen?)

Die Neutronenquelle wäre dann die

9 Sei + a → 12 C + n
Reaktion. Sie würden das normale Beryllium- 9 , ein Alpha-Strahler und Wasser, das gleichzeitig als Moderator (der die Neutronen etwas verlangsamt) und als Target (wo die Neutronen dann mit den Protonen verschmelzen könnten) dienen könnte. Alte Brennstäbe könnten vielleicht als Alphastrahler verwendet werden. Das Uran- 238 darin enthalten (der nicht spaltbare) ist ein Alphastrahler. Man würde den nominellen Kohlenstoff- 12 , Deuterium, aber leider auch Zerfallsprodukte des Urans.

Der Reaktor müsste so ausgelegt werden, dass die Uran-Zerfallsprodukte, der Kohlenstoff und das schwere Wasser aus dem Reaktor entfernt und neue Materialien ausgespuckt werden könnten. Dies würde einen mittleren Aufwand für den Strahlenschutz erfordern.

Die Frage ist, ob es dann in Bezug auf die Energieerzeugung so ergiebig ist. 2.2 MeV pro Proton-Neutron-Fusion. Das Alpha-Teilchen von Uran- 238 hat 4.2 MeV. Im Idealfall wird dieser dann auch abgebremst 2.6 MeV. Es besteht dann eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron mit 740 keV erzeugt, die wiederum thermische Geschwindigkeiten erreichen müssen ( 100 meV-Bereich). Und dann gibt es mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit wieder diese Proton-Neutron-Fusion.

Das heißt, wenn eine solche Reaktionskette ideal verläuft, bekommen wir

2.2  MeV + ( 4.2 − 2.6 )  MeV + ( 740 − 0,0001 )  keV = 4.5  MeV .
Der durchschnittliche Energieverbrauch pro Haushalt beträgt 22 , 400 kWh pro Jahr. Dies bedeutet eine durchschnittliche Leistung von 2.56 kW. Dies würde erfordern 3.56 × 10 fünfzehn perfekte Reaktionsabläufe. Das bedeutet, dass 1.4 × 10 − 6 Gramm Uran, 0,05 Gramm Beryllium und 0,0059 Gramm Wasserstoff würden pro Sekunde verbraucht.

Um die Kosten dafür zu berechnen, habe ich folgende Werte für Uran und Beryllium gefunden: Uran 19.45 Euro pro Gramm und Beryllium dazwischen 0,30 und 1,50 Euro pro Gramm je nach Qualität. Das bedeutet, dass die Hauptkosten das Uran sind. Eine Kilowattstunde würde also ca 4 Cent. Diese läge bei den Erzeugungskosten zwischen einem Kernkraftwerk und einem Kohlekraftwerk. Wenn ich richtig gerechnet habe. Weil dann noch allerhand wie die EEG-Umlage und die Gewinne der Konzerne und andere zu den Strompreisen hinzukommen, zahlen wir dann rum 9 mal diesen Preis. Ein Proton-Neutronen-Reaktor für zu Hause könnte sich also sogar lohnen.

Okay, das war der Idealfall. Natürlich kostet die Entsorgung des radioaktiven Materials Geld. Möglicherweise könnte das Deuterium sogar verkauft werden. Dann braucht man natürlich etwas mehr Material, zB mehr Wasser als Moderator. Und nicht jede Reaktionskette läuft optimal ab.

Kleiner Fehler in meiner Antwort

"Das bedeutet, dass 1,4e-6 Gramm Uran, 0,05e-6 Gramm Beryllium und 0,0059e-6 Gramm Wasserstoff"

Und ich würde hinzufügen, dass diese durch radioaktiven Zerfall induzierte kalte Kernfusion nicht zu einer nuklearen Katastrophe führen wird. Es ist kein sich selbst verstärkender Prozess. Je mehr Kerne in der Atomkraft gespalten werden, desto mehr Neutronen werden freigesetzt, die möglicherweise Kerne wieder spalten. Hier beschleunigt sich der radioaktive Zerfall nicht, wenn mehr Fusion stattfindet.

Fusion von Proton und Neutron?
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