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, amelynek során két kisebb atommag egyesül egy nagyobbat eredményezve. Ez a folyamat lehet exoterm vagy endoterm, a kiinduló magok atomtömegeitől függően. A kémiai elemek közül a vas és a nikkel a legstabilabb, azaz ezek rendelkeznek a legnagyobb fajlagos kötési energiával. Ha a fúzióban részt vevő elemek könnyebbek a vasnál, akkor a folyamat energiafelszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni.

Ez a folyamat játszódik le a csillagokban is és a hidrogénbomba robbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója - endoterm voltukból kifolyólag - különleges feltételeket követel, mint például a szupernóva-robbanás fizikai körülményei. A Földön található összes elemek csillagokban és szupernóva-robbanás során jöttek létre.

Felfedezése[szerkesztés]

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 (energia = tömeg szorozva a fénysebesség négyzetével) szerint azonban már 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 volt, 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 a kísérleti térben tartani. Egy toroid alakú csövet elektromos tekercsekkel vett körül, melyek mágneses teret hoztak létre abból a célból hogy a hidrogéngáz ne érintkezzen a cső falával. Közben lézerrel adtak át energiát a hidrogénnek, amelynek hőmérséklete így több millió fokra emelkedhetett. 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 is Spitzer fedezett fel egy megoldást. A csövet középen mintegy „megtekerve” egy 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, és a hidrogént is egyenletesebb tér vette körül.

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

Egy fél másodpercre a hidrogéngáz szupernovaként ragyogott fel, és hőmérséklete elérte a 40 millió °C-ot. A 60 cm átmérőjű berendezés összesen 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]

A magfúzió leírása[szerkesztés]

Az atommagot az úgynevezett erős kölcsönhatás tartja össze, ami a nukleonok között hat, nagyon rövid távolságon (10−15 m) belül. Az atommagok nagyobb távolságokon viszont taszítják egymást, mert a töltésük pozitív. Így kialakul egy potenciálgát, ami a hidrogénatom izotópjai, a deutérium és a trícium esetében 0,1 MeV. Hogy a fúzió megtörténhessen, az atommagok között le kell győzni a potenciálgátat. Ez jön létre a csillagok fizikai állapotában a plazmában, ahol az atommagok elektronjaiktól megfosztva léteznek, és amely fizikai folyamatot termonukleáris fúziónak vagy egyszerűbben magfúziónak neveznek.

Ha átszámoljuk a 0,1 MeV-ot hőmérsékletre, akkor 109 Kelvin fokot kapunk, ami nagyon magas hőmérséklet, mivel tudjuk, hogy egyik fém sem bírja halmazállapot-változás nélkül a 3000 Kelvin foknál magasabb hőmérsékletet. E hőmérséklet eléréséhez segít két fizikai 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 azonban a kívánt hőmérsékletet elérhetőbb értékekre. Ezért a plazmát össze kell nyomni, hogy a hőmérséklete megnőjön. Ez három módon valósulhat meg:

  1. gravitációval – amikor a plazma a saját súlya alatt nyomódik össze. Ehhez azonban nagy mennyiségű plazmagáz kell, ami csak a csillagokban fordul elő,
  2. mágneses erőkkel – a plazmában szabad pozitív és negatív ionok találhatók, és hatnak rájuk a mágneses erők. Ezt használják fel a tokamak és a sztellarátor berendezésekben,
  3. inerciális hatással – ha hirtelen sok energiát közlünk a plazmával, például lézer segítségével, ekkor a plazmának nem lesz ideje kitágulni, így a hőmérséklete fog emelkedni a kívánt értékre.

Ahhoz, hogy egy fúziós reakció energiatermelés szempontjából kívánatos legyen, a következő feltételeknek kell megfelelnie:

  • legyen exoterm,
  • kicsi legyen a protonok száma (akkor kevésbé taszítják egymást az atommagok) – tehát a legkönnyebb elemek közül kell választani,
  • két kiindulási anyag legyen,
  • két reakcióterméke 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]

Mint alternatív energiaforrásnak, a fúziós reaktorok üzembe helyezése kiemelt fontosságú lenne mivel számos előnye van:

  • az egész világon mindenhol igen hosszú ideig rendelkezésre áll az alacsony előállítási költségű alapanyag a hidrogén, ezért gyakorlatilag végtelen energiaforrásnak tekinthető,
  • nem járul hozzá savas eső létrejöttéhez,
  • nem növeli az üvegházhatású gázok mennyiségét,
  • nincs „megfutási” veszély, azaz atomrobbanás, ami egyes (nem energetikai célú) atomreaktorok esetén fennállhat,
  • a melléktermékek nem használhatók fel fegyvergyártáshoz,
  • a termékeivel minimális környezetszennyezési problémát okoz.

Lásd még[szerkesztés]

Jegyzetek[szerkesztés]

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

Forrás[szerkesztés]

Irodalom[szerkesztés]

  • 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