Főmenü megnyitása

Magfúzió

magreakció, amelynek során két kisebb atommag egyesül egy nagyobbat eredményezve
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 hidrogén, a hélium egy része (és a lítium kis része) kivételével a Földön található összes elemek csillagokban és szupernóva-robbanás során jöttek létre.

FelfedezéseSzerkesztés

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.

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 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 (Sztellarátor, 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 leírásaSzerkesztés

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 kelvinnél 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.

FontosságaSzerkesztés

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.

KutatásaSzerkesztés

Magfúziós kutatások a világ szinte minden pontján folynak. Jelenleg több mint 30 kísérleti berendezés működik a világon és ennél is több kutatóintézetben folynak elméleti kutatások, illetve technológiai fejlesztések a témában. Két fő ága van a magfúziós kutatásoknak: a mágneses összetartású és az inerciális fúziós kutatások. A mágneses összetartású fúziós kutatások jelenleg előrébb tartanak és jelenlegi tudásunk szerint ez lehet az a megközelítés, amelyből az első fúziós erőmű megépülhet. Habár ezek a kutatások még kísérleti szinten folynak, már épül az első erőmű méretű fúziós kísérleti berendezés, az ITER, amelynek célja, hogy bebizonyítsa, lehetséges a fúzió megvalósítása a Földön energiatermelési célokból, illetve, hogy tesztelje a későbbi erőművekben használt technológiai megoldásokat. Európában a magfúziós kutatásokat az EUROfusion konzorcium koordinálja, amelynek magyarországi képviselője a Wigner fusion.

Kapcsolódó szócikkekSzerkesztés

JegyzetekSzerkesztés

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

ForrásSzerkesztés

IrodalomSzerkesztés

  • 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