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物理代写|核物理代写nuclear physics代考|The p-p Cycle
The temperature in the core of the Sun is $1.5 \times 10^7 \mathrm{~K}$. The Sun consists mainly (91\%) of hydrogen, and the main source of the Sun’s energy comes from the fusion chain in which 4 protons are converted into a nucleus of ${ }_2^4 \mathrm{He}$ in a three-stage process.
$$
\begin{aligned}
&2 \times\left(p+p \rightarrow d+e^{+}+v\right)[2 \times 1.42 \mathrm{MeV}] \
&2 \times\left(d+p \rightarrow{ }_2^3 \mathrm{He}\right)[2 \times 5.49 \mathrm{MeV}] \
&{ }_2^3 \mathrm{He}+{ }_2^3 \mathrm{He} \rightarrow{ }_2^4 \mathrm{He}+p+p+\gamma[12.89 \mathrm{MeV}]
\end{aligned}
$$
We see that the total energy released in this process is $26.71 \mathrm{MeV}$.
Other fusion and $\beta$-decay processes are possible. For example, the ${ }_2^3 \mathrm{He}$ produced at stage 2 of (10.33) could fuse with a pre-existing nucleus of ${ }_2^4 \mathrm{He}$ in the reaction
$$
{ }_2^3 \mathrm{He}+{ }_2^4 \mathrm{He} \rightarrow{ }_4^7 \mathrm{Be}+\gamma .
$$
The ${ }_7^4 \mathrm{Be}$ converts into ${ }_3^7 \mathrm{Li}$ by electron capture. The ${ }_3^7 \mathrm{Li}$ then fuses with another proton to produce a final state consisting of two nuclei of ${ }_2^4 \mathrm{He}$. The full fusion scheme is shown in Fig. $10.3$ and is called the “p-p cycle”, although it is actually a fusion chain rather than a cycle. We note that neutrinos are produced in some stages of this cycle. These are known as “solar neutrinos” and are the main source of the huge flux the neutrinos reaching the Earth $\left(7 \times 10^{14} \mathrm{~m}^{-2} \mathrm{~s}^{-1}\right)$.
物理代写|核物理代写nuclear physics代考|Fusion Reactors
For over 60 years, scientists and engineers have been trying to harness nuclear fusion reactions in order to provide a controlled fusion reactor, which can be used to supply energy, in analogy with fission reactors. Such reactors would have huge advantages:
- The fuel would be mainly seawater. Seawater has $1.5 \times 10^{-4}$ deuterons for each normal hydrogen atom. This must be increased to around $20 \%$ in order to be used in a fusion reactor. There are three different ways of enhancing the concentration of heavy water $\left(\mathrm{D}_2 \mathrm{O}\right)$.
- Electrolysis: Hydrogen is ionized more easily than deuterium so that during the process of electrolysis more hydrogen nuclei than deuterons drift to the cathode, leaving a solution with enhanced deuterium.
- Distillation: The boiling point of heavy water is slightly higher than that of ordinary water, so that with careful distillation the ordinary water can be boiled off.
- Chemical Separation: The chemical potential of deuterium in a compound differs from that of hydrogen. The difference depends on the compound and the temperature. This can be used to exchange deuterium between one compound and another. The method that is most commonly used is the “Girdler sulphide process” in which hydrogen sulphide $\left(\mathrm{H}_2 \mathrm{~S}\right)$ is passed through water which is kept in hot and cold tanks. As the hydrogen sulphide mixes with water in the hot tank, deuterons from the water replace the hydrogen atoms in the hydrogen sulphide, thereby depleting the heavy water concentration, whereas in the cold tank deuterons from the hydrogen sulphide replace the hydrogen atoms in the water, thereby enriching the heavy water concentration.
These enrichment processes are not expensive, and there would be sufficient supply for millions of years.
- The process produces very little radioactive waste, although some radioactive nuclides are generated as a result of the interactions of the neutrinos produced in the fusion process with the walls of the reactor.
- There is no carbon emission.
物理代写|核物理代写核物理代考| p-p循环
. The p-p Cycle . The p-p Cycle
太阳核心的温度是$1.5 \times 10^7 \mathrm{~K}$。太阳主要由氢组成(91％)，太阳能量的主要来源来自于聚变链，在这个聚变链中，4个质子经过3个阶段的过程转化为一个${ }_2^4 \mathrm{He}$的原子核。
$$
\begin{aligned}
&2 \times\left(p+p \rightarrow d+e^{+}+v\right)[2 \times 1.42 \mathrm{MeV}] \
&2 \times\left(d+p \rightarrow{ }_2^3 \mathrm{He}\right)[2 \times 5.49 \mathrm{MeV}] \
&{ }_2^3 \mathrm{He}+{ }_2^3 \mathrm{He} \rightarrow{ }_2^4 \mathrm{He}+p+p+\gamma[12.89 \mathrm{MeV}]
\end{aligned}
$$
我们看到在这个过程中释放的总能量是$26.71 \mathrm{MeV}$ .
其他的聚变和$\beta$ -衰变过程是可能的。例如，(10.33)第2阶段产生的${ }_2^3 \mathrm{He}$可以在
$$
{ }_2^3 \mathrm{He}+{ }_2^4 \mathrm{He} \rightarrow{ }_4^7 \mathrm{Be}+\gamma .
$$
反应中与已经存在的${ }_2^4 \mathrm{He}$核融合，${ }_7^4 \mathrm{Be}$通过电子捕获转化为${ }_3^7 \mathrm{Li}$。然后，${ }_3^7 \mathrm{Li}$与另一个质子发生聚变，产生由${ }_2^4 \mathrm{He}$的两个原子核组成的最终态。完整的聚变方案如图$10.3$所示，被称为“p-p循环”，尽管它实际上是一个聚变链而不是一个循环。我们注意到中微子是在这个循环的某些阶段产生的。这些中微子被称为“太阳中微子”，是中微子到达地球的巨大通量的主要来源$\left(7 \times 10^{14} \mathrm{~m}^{-2} \mathrm{~s}^{-1}\right)$
物理代写|核物理代写核物理代考|核聚变反应堆
60多年来，科学家和工程师们一直试图利用核聚变反应，以提供一个可控的核聚变反应堆，它可以用来提供能源，类似于裂变反应堆。这样的反应器将有巨大的优势:
燃料主要是海水。海水中每一个正常氢原子有$1.5 \times 10^{-4}$个氘核。这必须增加到$20 \%$左右，以用于核聚变反应堆。提高重水浓度有三种不同的方法$\left(\mathrm{D}_2 \mathrm{O}\right)$ .电解:氢比氘更容易被电离，因此在电解过程中，比氘更多的氢核漂移到阴极，留下增强的氘溶液。蒸馏法:重水的沸点略高于普通水的沸点，因此经过仔细的蒸馏法，可将普通水煮沸。化学分离:化合物中氘的化学势与氢的化学势不同。差异取决于化合物和温度。这可以用来在一种化合物和另一种化合物之间交换氘。最常用的方法是“格德勒硫化法”，其中硫化氢$\left(\mathrm{H}_2 \mathrm{~S}\right)$通过保存在冷热罐中的水。在热槽中，当硫化氢与水混合时，来自水中的氘核取代硫化氢中的氢原子，从而消耗重水浓度，而在冷槽中，来自硫化氢的氘核取代水中的氢原子，从而富集重水浓度。
这些浓缩过程并不昂贵，而且将有足够的供应数百万年
虽然在聚变过程中产生的中微子与反应堆壁的相互作用产生了一些放射性核素，但该过程产生的放射性废物很少。无碳排放
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