Magfúzió
A magfúzió olyan magreakció, ami során két kisebb atommag egyesül egy nagyobbat eredményezve. Ez a folyamat lehet exoterm vagy endoterm, a kiinduló magok atomtömegétől függően. Az elemek közül a vas és a nikkel a legstabilabbak (ők rendelkeznek a legnagyobb fajlagos kötési energiával). Ha a fúzióban résztvevő elemek könnyebbek a vasnál, akkor a folyamat energiafölszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni.
Ez a folyamat játszódik le a csillagokban és a hidrogénbomba robbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója (endoterm voltukból kifolyólag) szélsőséges feltételeket követel, mint például a szupernóva robbanás. A természetben található elemek mind csillagokban és szupernóva robbanás közben jöttek létre.
Tartalomjegyzék |
[szerkesztés] Felfedezése
A tudósok sokáig azt feltételezték, hogy a Nap közönséges égésből nyeri az energiáját, és az ebből eredő fényt és hőt sugározza szét. A 19. században néhány tudós (köztük Lord Kelvin) vitatták ezt. Kelvin számításai szerint gravitációs összehúzódásból is eredhetne a kisugárzott energia, azonban ez a folyamat néhány millió év alatt véget is érne.
Einstein 1905-ös híres képlete, az E = mc2 szerint azonban az anyag kicsiny mennyisége is óriási energiává alakítható át.
1919-ben egy amerikai csillagász, Henry Russell matematikailag leírta azt a fizikai folyamatot, melynek során a Nap hidrogénatomjai egyesülnek, ennek során hélium atommagok és óriási energia keletkezik. A folyamat neve magfúzió. Az elméletet 1920-ban Francis Aston csillagász mérései erősítették meg.
1939-ben Hans Bethe német fizikus részletes matematikai levezetéssel leírta, hogyan lehetne a folyamatot a Földön is végrehajtani, és fúziós reaktort létrehozni. Ehhez Bethe számításai szerint a hidrogénatomok hőmérsékletét 100 millió°C fölé kell emelni, és olyan kis térrészbe összenyomni, hogy a hidrogénatomok összeütközzenek és hélium jöjjön létre. A kivitelezés korlátja az, hogy nem létezik olyan anyag, ami ezt a magas hőmérsékletet kibírná.
1948-ban Dr. Lyman Spitzer létrehozta a Princeton egyetemen a Plazmafizikai Laboratóriumot.
Hamar rájött, hogy a fúziós reakciót mágneses térrel tudja kordában tartani. Egy toroid-alakú csövet elektromos tekercsekkel vett körül, amik mágneses teret hoztak létre, így a hidrogéngáz nem érintkezett a cső falával. Közben lézerrel adtak át energiát a hidrogénnek, aminek a hőmérséklete több millió fokra emelkedett. Az elrendezéssel az volt a probléma, hogy a csövet körülvevő mágneses tekercsek a cső belső falánál sűrűbben voltak elhelyezve, mint a cső külső oldalán. Ez ahhoz vezetett, hogy a belső oldalon erősebb mágneses tér alakult ki, emiatt a hidrogénatomok a cső külső oldala felé vándoroltak, majd közel fénysebességgel távoztak a berendezésből.
Erre a problémára Spitzer felfedezett egy zseniális megoldást. A csövet középen mintegy „megtekerve” 8-asra emlékeztető alakzatot hozott létre. A csőben keringő hidrogén így az idő egy részében a cső belső fala mentén, az idő további részében a külső fal mentén halad, így nem alakulnak ki eltérések a mágneses térben, a hidrogént egyenletesebb tér vette közül.
1951-re Spitzer befejezte az első hidrogénplazma-fúziós reaktor munkálatait, amit stellarator-nak nevezett el (stella = csillag, latinul). Első alkalommal csupán a másodperc törtrészéig működtette a berendezést, mert nem volt biztos benne, hogy nem fog-e hidrogénbombaként felrobbanni.
Egy dicsőséges fél másodpercre a hidrogéngáz szupernovaként ragyogott fel, és hőmérséklete elérte a 40 millió°C-t. A 60 cm átmérőjű berendezés mindössze 2 másodpercig működött, majd a folyamat leállt, a plazma kihűlt.
A kísérlet legfontosabb eredménye az, hogy megmutatta, a fúziós reakciót a Földön is elő lehet állítani.[1]
[szerkesztés] Leírása
Az atommagot az erős kölcsönhatás tartja össze, ami nukleonok között hat, nagyon rövid távolságon (10−15 m). Az atommagok nagyobb távolságokon viszont taszítják egymást, mert töltésük pozitív. Így kialakul egy potenciálgát, ami a D-T (deutérium-trícium) esetében 0,1 MeV. Hogy a fúzió megtörténjen, az atommagoknak le kell győzniük a potenciálgátat. Ezt megtehetik a plazmában, amit termonukleáris fúziónak neveznek, és a későbbiekben is erről lesz szó.
Ha átszámoljuk a 0,1 MeV-ot hőmérsékletre, akkor 109 kelvint kapunk, ami nagyon magas hőmérséklet (főleg, ha tudjuk, hogy egyik fém se nagyon bírja a 3000 kelvinnél magasabb hőmérsékletet). Ezen segít két effektus:
- a Maxwell-féle sebességeloszlás szerint a sokkal alacsonyabb hőmérsékletű plazmában is vannak nagy megfelelő energiájú atomok (csak kevés)
- az alagúteffektus megengedi, hogy a kisebb energiájú atommagok is átjussanak a potenciálgáton
Ez a két effektus sem csökkenti a kívánt hőmérsékletet emberibb értékekre. Ezért a plazmát össze kell nyomni, hogy a hőmérséklete megnőjön. Ezt három módon lehet elérni:
- gravitációs – amikor a gáz a saját súlya alatt nyomódik össze. Ehhez azonban nagy mennyiségű gáz kell, így ez csak a csillagokban jelentkezik
- mágneses – a plazmában szabad pozitív és negatív ionok találhatók, tehát hatnak rá a mágneses erők. Ezt használják ki a tokamak és a sztellarátor berendezések
- inerciális – ha hirtelen sok energiát közlünk a gázzal (például lézer segítségével), akkor a gáznak nem lesz ideje kitágulni, így a hőmérséklete fog emelkedni a kívánt érték fölé.
Ahhoz, hogy egy fúziós reakció energiatermelés szempontjából érdekes legyen, a következő feltételeket kell teljesítenie:
- legyen exoterm
- kicsi legyen a protonok száma (kevésbé taszítják egymást az atommagok) – tehát a legkönnyebb elemek között kell keresni
- két kiindulási anyag legyen
- két reakciótermék legyen (az energia- és impulzusmegmaradás miatt)
Ezek alapján a lehetséges reakciókat a következő táblázat foglalja össze:
| (1) | D | + | T | → | 4He | (3,5 MeV) | + | n | (14,1 MeV) | |||||||
| (2) | D | + | D | → | T | (1,01 MeV) | + | p | (3,02 MeV) | 50% | ||||||
| (3) | → | 3He | (0,82 MeV) | + | n | (2,45 MeV) | 50% | |||||||||
| (4) | D | + | 3He | → | 4He | (3,6 MeV) | + | p | (14,7 MeV) | |||||||
| (5) | T | + | T | → | 4He | + | 2 | n | + 11,3 MeV | |||||||
| (6) | 3He | + | 3He | → | 4He | + | 2 | p | + 12,9 MeV | |||||||
| (7) | 3He | + | T | → | 4He | + | p | + | n | + 12,1 MeV | 51% | |||||
| (8) | → | 4He | (4,8 MeV) | + | D | (9,5 MeV) | 43% | |||||||||
| (9) | → | 4He | (0,5 MeV) | + | n | (1,9 MeV) | + | p | (11.9 MeV) | 6% | ||||||
| (10) | D | + | 6Li | → | 2 | 4He | + 22,4 MeV | |||||||||
| (11) | p | + | 6Li | → | 4He | (1,7 MeV) | + | 3He | (2,3 MeV) | |||||||
| (12) | 3He | + | 6Li | → | 2 | 4He | + | p | + 16,9 MeV | |||||||
| (13) | p | + | 11B | → | 3 | 4He | + 8,7 MeV |
A p a közönséges hidrogént, a D a deutériumot, a T pedig a tríciumot jelöli.
[szerkesztés] Fontossága
Mint alternatív energiaforrásnak, a fúziós reaktornak számos előnye van:
- Az egész világon mindenhol igen hosszú ideig rendelkezésre áll az alacsony költségű alapanyag, a hidrogén, ezért gyakorlatilag végtelen energiaforrásnak tekinthető
- Nem járul hozzá savas eső létrejöttéhez
- Nem növeli az üvegházhatású gázok mennyiségét
- Nincs „megfutási” veszély, ami egyes atomreaktorok esetén fennáll
- A melléktermékek nem használhatók fel fegyvergyártáshoz
- Minimális környezetszennyezési problémát okoz
[szerkesztés] Lásd még
[szerkesztés] Jegyzetek
- ↑ Kendall Haven: 100 Greatest Science Discoveries of All Time (Unlimited Libraries, 2007)
[szerkesztés] Forrás
[szerkesztés] Irodalom
- Fowler, T: The Fusion Quest. New York: Johns Hopkins University Press, 1997
- Heiman, Robin: Fusion: The Search for Endless Energy. London: Cambridge University Press, 1990
- Peat, F: Cold Fusion. New York: Contemporary Books, 1999
- Richardson, Hazel: How to Split the Atom. New York: Franklin Watts, 2001
