Steve Cowley a világ egyik vezető hatósága nukleáris fúzió. Nem sok évvel ezelőtt volt alkalmam találkozni vele, Madridban, az egyik konferencián, amelyet az egész bolygón ad, hogy terjessze, hogy ez a technológia milyen mértékben járulhat hozzá a emberi energiaigény.

működik

Üzenete mélyreható. Lehetetlen hallgatni rá, anélkül, hogy megfertőződne a lelkesedésétől, és mindenekelőtt anélkül, hogy mélyen vonzódna a magfúzióhoz, amelynek erős védője. És e brit elméleti fizikus szerint csak ez a technológia képes megoldani az energiaválságot amelyben már elmerültünk, és ez a következő évtizedekben tovább fog növekedni. Ő vagy az ígérete? Tiszta, biztonságos és gyakorlatilag korlátlan energia. De annak lehetővé tétele érdekében még mindig sok kihívást kell megoldani.

Nem minden nukleáris egyforma

Mielőtt bármilyen részletesen megnéznénk a magfúzió működését, érdemes megállni, hogy lássuk, milyenek egyformák. magfúzió és hasadás, és azt is, hogy miben különböznek egymástól. Valami nyilvánvaló közös vonásuk van: mindkettő olyan nukleáris reakció, amelynek célja az atom magjában lévő energia felszabadítása.

Mindkét esetben az energia hő formájában szabadul fel, és az atomerőműveken belül egy hatalmas tározóban lévő vízbe kerül, hogy magas hőmérsékleten gőzt képezzen, amelyet azonnal felhasználni kell egy sor turbinák, amelyek mozgása elektromos energiát fog termelni hogy később felhasználjuk.

Ha megnézzük ezt a folyamatot, láthatjuk, hogy egyértelműen teljesíti a Az energia megőrzésének elve amiről mindannyian hallottunk, legalábbis iskolás korunkban, és amelyet olyan tudósok munkájának köszönhetünk, mint például a milétoszi Thales, a Galileo, a Leibniz vagy a Newton. Ez a törvény azt mondja, hogy az energiát nem hozzák létre és nem semmisítik meg, hanem egyszerűen átalakulnak az egyik energiaformából a másikba. Ennek az elvnek az a fontos következménye, hogy a rendszer teljes energiája állandó marad, tehát minden átalakulás előtt és után ugyanaz.

Ha visszatérünk arra, ami valóban fontos számunkra, atomerőművünkre, láthatjuk, hogy az atom magjában lévő energia hő formájában felszabadul (így kapjuk meg hőenergia), függetlenül attól, hogy a hasadási vagy a magfúziós eljáráshoz folyamodunk-e. Pontosan ez a feladata az atomreaktornak: az atomokban található atomenergia átalakítása hőenergiává.

Közvetlenül ez utóbbi energiaforma után a tartályban lévő víz egy része elpárolog, magas nyomáson gőznek tűnik, ezért Kinetikus energia, amelyet a testek mozgásuk miatt birtokolnak. A mozgó vízgőz mozgási energiája átalakul mechanikus energia az atomerőmű turbináinak elforgatásával, és végül újra átalakul, ezúttal elektromos energia, egy generátor működésének köszönhetően, amely többek között az otthonunkba jutó áram előállításáért is felelős.

Két különböző stratégia

Amint az imént láttuk, mind a maghasadást, mind a magfúziót alkalmazó reaktor közvetlen funkciója pontosan ugyanaz: vízgőzt termelni magas hőmérsékleten, a folyamat végén, a folyamat végén és az átalakításokon keresztül, amelyeket most láttam, elektromos energiát termelnek.

Érdekesség, hogy az olajat, szenet vagy gázt üzemanyagként használó erőművek működési alapelve pontosan ugyanaz: a tárolóban lévő víz felmelegítése gőz előállításához és turbina meghajtásához.

Az összes kereskedelmi atomreaktor, amelyet ma használunk, hasadást használ, nem pedig magfúziót.

Itt következnek a hasadás és a magfúzió közötti hasonlóságok. A jelenleg használt atomerőművek maghasadáshoz folyamodni, és nem az egyesülés. Kivétel nélkül. Ez annak az oka, hogy bár a kísérleti reaktorok már megmutatták nekünk, hogy a magfúzió működik, ez egy olyan összetett folyamat, hogy amint később látni fogjuk, a fizikusok és mérnökök még nem találtak módot arra, hogy a fúziós reakció stabilan viselkedjen egy hosszú idő.

Ez azt jelenti, hogy a fúzió nem tartható fenn nagyon hosszú ideig pozitív energiamérleg mellett (a folyamat eredményeként több energia nyerhető, mint amennyi az indításához szükséges beruházáshoz szükséges), és teljesen ellenőrzött módon.

És az a tény, hogy ha a maghasadás célja az atom magját "hasító" energia megszerzése, akkor az a magfúzióé két fénymagot összekötve hogy egy nehezebbet alkosson. És a mai napig sokkal pontosabban tudjuk, hogyan lehet a hasadást ellenőrzött módon végrehajtani.

Maghasadás, részletesen

Mint fentebb néhány sort láttunk, ez a folyamat, amelyet jelenleg az atomerőművekben használnak, abból áll megtörni egy atom magját két vagy több magban, hogy felszabadítsa a benne lévő energia egy részét. De nem oszthatjuk szét egyetlen atom magját sem. Elméletileg meg lehet csinálni, de a gyakorlatban az az érdekes, hogy viszonylag "könnyen és olcsón" megtörhető atomot használjunk. És az urán 235-ös.

Az urán olyan kémiai elem, amelyben megtalálhatjuk a természetben nagyon alacsony koncentrációk, általában sziklákon, talajon és vízen. Ezért előállítása drága és kezelési összetettsége, mivel olyan kémiai folyamatokat kell végrehajtani, amelyek képesek elválasztani a többi elemtől és szennyeződéstől, amelyekkel általában él. 92 protonja van, és annyi elektron kering a sejt körül, és ez utóbbi a protonokon kívül 142 és 146 neutron között van.

Fontos megjegyezni, hogy az atom magja általában bizonyos számú protonból és neutronból áll (bár nem mindig: a protiumnak, a leggyakoribb hidrogén-izotópnak csak egy protonja van, és a neutronja nincs a magjában), mint a körülötte keringő elektronok. Az a tény, hogy az uránmagban a neutronok száma változhat, amint az imént láttuk, ezt elmondja nekünk több izotóp van ennek a kémiai elemnek a tartalma, amelyek nem mások, mint azonos számú proton és elektron, de eltérő számú neutron.

Az oka annak, hogy a maghasadásos reaktorokban egy urán 235 atomot használnak, és nem ennek az elemnek vagy bármely más kémiai elemnek egy másik izotópját, az az, hogy amikor magját neutronnal bombázzák (ez a folyamat kiváltotta hasadás) az urán 235 átalakul 236 uránná, amely instabil elem. Ez egyszerűen azt jelenti, hogy az urán 236 nem maradhat sokáig jelenlegi állapotában, ezért két magra oszlik, az egyik a bárium 144-re, a másik pedig a 89-es kriptonra, és emellett két vagy három neutront bocsát ki.

És itt van az igazán érdekes dolog: a bárium 144 és a kripton 89 magjainak tömegének összege valamivel kevesebb, mint az urán 236 magjánaké, amelyből származnak (az eredeti tömeg körülbelül 0,1% -a "eltűnik"). Hová tűnt a hiányzó tömeg? Csak egy válasz van: energiává alakult át. Az E = mc 2 képlet, amely valószínűleg a legnépszerűbb a fizika történetében, a tömeget és az energiát kapcsolja össze, és egyszerűen azt mondja, hogy egy bizonyos tömegmennyiség egyenlő egy bizonyos mennyiségű energiával, annak ellenére, hogy a tömeg nyugalomban van.

Valójában a tömeg és az energia egyenértékűsége, amelyet Albert Einstein javasolt 1905-ben (amint láthatja, több mint egy évszázaddal ezelőtt) valami nagyon fontosat mond el nekünk. A képletben szereplő c érték a fény sebességét képviseli vákuumban, ami, mint mindannyian sejtjük, nagyon nagy szám (kb. 3 x 108 m/s). Ezenkívül négyzetes, ami azt jelenti, hogy még egy nagyon-nagyon kicsi tömeg is, például az atom magjának része, még akkor is, ha nyugalmi állapotban van, tartalmaz egy mennyiséget nagyon nagy energia. Ezt ismerjük nyugalmi energiának.

Ha a tömeg mozgásban van, teljes energiája nagyobb, mint nyugalmi energiája. És ha megfigyeljük a tömeg és az energia egyenértékűségét, könnyen felismerhető, hogy a mozgásban lévő test tömege nagyobb, mint a nyugalmi tömege, ez a jelenség teljesen bevezet minket a relativisztikus fizikába, és ezzel foglalkozni fogunk részletesebben egy másik bejegyzésben. Mindenesetre az atommagok összeolvadásakor vagy hasadásakor nyert energia az őket összetartó erőből származik: erős nukleáris.

A tömeg és az energia viszonyának bizonyos pontossággal való megértése azért fontos, mert segít megérteni, hogyan lehetséges, hogy egy olyan kicsi tömeg, mint egy atom, lehetővé teszi számunkra, hogy ekkora mennyiségű energiát nyerjünk. Mindenesetre a maghasadási folyamat itt nem ér véget. És ez az, hogy mindegyik neutron, amelyet az urán 236 magjának a bárium 144 és a kripton 89 magjában történő bomlásának eredményeként kaptunk, kölcsönhatásba léphet más hasadó magokkal, láncreakciót okozva.

Az urán-236 mag bontása során azonban nem minden neutron kölcsönhatásba lép egy hasadó maggal. De nem szükséges. Elég, ha ezek közül a neutronok közül csak az egyik teszi ezt meg, hogy stabil számú hasadást kapjunk, tehát, ellenőrzött reakció, mi a célja az atomerőmű reaktorainak.

A természetes fúzió a csillagokban

Tudósainkat és mérnökeinket gyakran a természet mechanizmusai inspirálják arra, hogy megoldásokat javasoljanak az emberi igényekre. A magfúzió pontosan ezt kívánja. Valójában egy magfúziós reaktor utánozza a zajló jelenségeket a csillagok magjában. Ezért érdemes egy pillanatra megállni, hogy megtudja, hogyan születnek a csillagok és mi történik bennük.

A csillagok az univerzumban szétszórt por- és gázfelhőkből születnek, és a tömegnek köszönhetően halmozódni kezdenek gravitációs összehúzódás (a gravitációs erő összegyűjti és tömöríti ezeket az elemeket). Tömegének kb. 70% -a hidrogén (valójában ez a protium, a hidrogén izotópja, amelyről néhány fenti bekezdésben beszéltünk, és amelynek magja egyetlen protonnal és elektronnal rendelkezik a pályáján), 24 és 26% között van. hélium, a fennmaradó 4-6% pedig a héliumnál nehezebb kémiai elemek kombinációja.

A csillag evolúcióját kezdeti tömege és kémiai összetétele határozza meg, így a héliumnál nehezebb kémiai elemek kis százaléka döntő fontosságú az egyes csillagok életében, valamint a körülötte bekövetkező bármilyen változás. % hidrogén. Minél masszívabb egy csillag, gyorsabban kimeríti energiaforrását, tehát mindegyikük egyedi és a többiektől eltérő viselkedéssel rendelkezik.

Jelenleg vannak olyan számítógépes eszközök, amelyek lehetővé teszik a fizikusok számára a szaporodást hogyan alakulnak a csillagok a gravitációs összeomlástól életének utolsó szakaszáig. De a legérdekesebb, hogy ezeket a bonyolult számítási számításokat csak négy differenciálegyenletből hajtják végre, amelyekben összetettségük miatt nem fogunk elmélyülni, de amelyeket érdemes megemlíteni, hogy legalább ismerősek legyenek egy kicsit mindenkinek, ha bármelyikük többet szeretne megtudni ebben a szakaszban.

Az első a tömegegyenlet, amely feltételezi, hogy a csillag közepén a tömeg nulla, légkörében pedig megvan a teljes tömeg. A második a hidrosztatikai egyensúlyi egyenlet, amely feltárja, hogy a csillag gravitációja miként ellensúlyozza a gáz nyomását és a sugárzás nyomását, hogy egyensúlyban tartsa a csillagot. A harmadik a energiatermelési egyenlet, amely elemzi, hogy a csillag hogyan nyer energiát a benne zajló fúziós reakciókból, valamint a gravitációs összehúzódásból, amiről korábban beszéltünk. És végül a energiaszállítási egyenlet, amely tanulmányozza az energia szállításának módját a csillag magjától kifelé.

Mindenesetre igazán érdekel bennünket az, hogy mivel a gravitációs összehúzódás, amelyről korábban beszéltünk, összegyűjti a kezdeti por- és gázfelhő elemeit, az a "baba csillag" felmelegedik, és nyomása az, hogy növekvő. És így folytatódik, amíg el nem jön egy pillanat, amikor a hőmérséklet és a nyomás olyan magas, hogy okozzon a «nukleáris kemence» gyújtása, ami nem más, mint a hidrogénmagok természetes fúziója a hélium kialakulásához.

A csillagok por- és gázfelhőkből születnek, és gravitációs összehúzódással halmozják fel a tömeget.

A nagyon magas nyomásnak és hőmérsékletnek kitett hidrogénmagok nagy kinetikus energiájuk miatt olyan nagy sebességgel ütköznek, hogy képesek legyőzni természetes elektromos taszításukat (töltésük pozitív, ezért taszítják egymást), és, elég közel vannak ahhoz, hogy az erős atomerő, amely összetartja az atommag részecskéit, képes legyen ellensúlyozza ezt a visszataszítást és az egyesülés megtörténik.

Amint láttuk, két hidrogénatom egyesülése hozza létre az egyik héliumot, és nagy mennyiségű energia bocsátódik ki, amely ugyanarra az elvre reagál, amelyről beszéltünk, amikor láttuk, hogy mi a tömeg és az energia közötti egyenértékűség. De bizonyára egyetért velem abban, hogy a legcsodálatosabb az egészben az, hogy két hidrogénatom fúziójának folyamata az egyik hélium megszerzéséhez, amely a természetben lejátszódó ilyen típusú kvantumok közül a legegyszerűbb, az első építő tégla minden kémiai elem amit megtalálhatunk az univerzumban.

Ez egyszerűen azt jelenti, hogy az a szén, amelyből készültünk, részben a csillagok magjában keletkezett. Ez nem költői engedély. Szó szerint csillagporból vagyunk. És oxigén, ólom, magnézium, nátrium, arany ... Az összes kémiai elem, amely nemcsak minket alkot, hanem minden, ami körülvesz minket, a csillagmagban készült a fúziós reakcióknak köszönhetően és a csillagok életének utolsó szakaszában lejátszódó szupernóvák révén terjednek el az univerzumban.

A csillagok erejét utánozva

Amint a fenti bekezdésekre számítottam, a kísérleti magfúziós reaktorok tervezésében és kivitelezésében részt vevő fizikusok és mérnökök megpróbálják utánozni, mi történik a csillagok belsejében, hogy kap nagy mennyiségű energiát. De van valami, amelyet figyelembe kell vennünk: jelenleg nem tudunk olyan magas gravitációs nyomást generálni, mint ami a csillagok belsejében természetesen előfordul, a gravitációs bezárás révén, ezért szükség van azokra az elemekre, amelyek könnyebben összeolvadnak, és szintén kétszázmillió Celsius-fokos hőmérsékletnek kell alávetni.

Ez a hőmérséklet tízszer magasabb, még azt is, amit a Napunk közepén találhatunk, ami lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük a Földön végrehajtott magfúzió hatalmas összetettségét. Másrészt a tudósoknak sikerült ötvözniük a deutérium és a trícium két magját, amelyek a hidrogén izotópjai, amelyek protonjukon és elektronjukon kívül, amint azt korábban láttuk, az első magban egy neutron és két neutron található. a második.

Miért használunk deutériumot és tríciumot, és nem protiumot, mint a csillagok? Mindegyikük a hidrogén izotópja, de könnyebb újrateremteni a deutérium és a trícium magjának fúziójához szükséges feltételeket, mint elérni, hogy a protium magok összeolvadjanak. Ezenkívül a deutérium stabil izotóp nagyon bőséges természetű. Valójában minden vízben 6500 hidrogénatomra találhatunk egy deutérium atomot, ami egyáltalán nem rossz. Vagy 34 gramm deutériumot minden tengervíz köbméterében.

A deutérium és a lítium, amelyek a magfúzió lehetővé tételéhez szükségesek, nagyon bőségesek

A trícium viszont finoman szólva finomabb. Sokkal ritkább természetű, mint a deutérium, és instabil is, ami azt jelenti, hogy radioaktív és gyorsan bomlik. De szerencsére megszerezhetjük, ha egy neutronot összeolvasztunk a lítium egyik izotópjának magjával, amely a deutériumhoz hasonlóan kémiai elem nagyon bőséges természetű (különösen tengervízben).

A kísérleti reaktorainkban jelenleg végrehajtott magfúzióval kapcsolatban az a legérdekesebb, hogy a deutérium és a trícium magjainak összeolvadásából héliummagot és neutront kapunk. Pontosan az utóbbi az a neutron, amely a lítium izotóppal összeolvadva lehetővé teszi számunkra a tríciummag megszerzését, ez utóbbi elem újra felhasználhatjuk hogy újraindítsa a magfúziós folyamatot.

Kíváncsi arra gondolni, hogy a tudósok csaknem ötven évvel ezelőtt kezdték meg a magfúzióval kapcsolatos munkát, amikor is kidolgozták az első mágneses bezárási technikákat. Mindazonáltal, hatalmas kihívások maradnak ezt meg kell oldani, mielőtt egy kereskedelmi magfúziós reaktor napvilágot lát. Megbeszéljük ezeket a kihívásokat, a fúzió előnyeit a hasadással szemben, a magfúzió jelenlegi állapotát és annak alakulását a jövőben. Részletesen beszélünk egy jövőbeni cikkben, amelyet remélem érdekesnek vagy ennél többnek talál.

Borítókép | Engin_Akyurt
Képek | TDC | Wikimedia | pxhere | Pexels