Magfúzió

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Az egy nukleonra jutó kötési energia. Kis tömegszámú atommagok fúziója során az egy nukleonra jutó kötési energia növekszik, ezáltal energia szabadul fel
A deutérium-trícium (D-T) reakció a legtöbbet ígérő energiatermelés szempontjából

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 legstabilabb (ezek rendelkeznek a legnagyobb fajlagos kötési energiával). Ha a fúzióban részt vevő 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.

Felfedezése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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) vitatta 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 megvalósítani, 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 Princetoni 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, amelynek 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 benne 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 körül.

1951-re Spitzer befejezte az első hidrogénplazma-fúziós reaktor munkálatait, amit stellaratornak nevezett el (stella = csillag, latinul). Első alkalommal csupán a másodperc törtrészéig működtette a berendezést, mert nem volt biztos abban, hogy nem fog-e hidrogénbombaként felrobbanni.

Egy dicsőséges fél másodpercre a hidrogéngáz szupernovaként ragyogott fel, és hőmérséklete elérte a 40 millió °C-ot. 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]

Leírása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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:

  1. a Maxwell-féle sebességeloszlás szerint a sokkal alacsonyabb hőmérsékletű plazmában is vannak nagy megfelelő energiájú atomok (csak kevés)
  2. 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:

  1. gravitációs – amikor a gáz a saját súlya alatt nyomódik össze. Ehhez azonban nagy mennyiségű gáz kell, így ez csak a csillagokban jelentkezik
  2. mágneses – a plazmában szabad pozitív és negatív ionok találhatók, tehát hatnak rá a mágneses erők. Ezt használják ki a tokamak és a sztellarátor berendezések
  3. 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   + n + 11,3 MeV
(6) 3He + 3He   4He   + 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 4He + 22,4 MeV
(11) p + 6Li   4He (1,7 MeV) +   3He (2,3 MeV)
(12) 3He + 6Li 4He   +   p + 16,9 MeV
(13) p + 11B 4He + 8,7 MeV

A p a közönséges hidrogént, a D a deutériumot, a T pedig a tríciumot jelöli.

Fontossága[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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

Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Kendall Haven: 100 Greatest Science Discoveries of All Time (Unlimited Libraries, 2007)

Forrás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • 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