Američki naučnici najavili su veliki napredak u trci za ponovno stvaranje nuklearne fuzije.
Fizičari su se bavili tehnologijom decenijama jer obećava potencijalni izvor gotovo neograničene čiste energije.
Istraživači su u utorak potvrdili da su prevladali veliku barijeru – proizvodeći više energije iz eksperimenta fuzije nego što je uloženo.
Međutim, stručnjaci kažu da još uvijek treba preći put prije nego što fuzija pokrene domove.
Eksperiment se odvijao u National Ignition Facility u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore (LLNL) u Kaliforniji.
Nuklearna fuzija se opisuje kao “sveti gral” proizvodnje energije. To je proces koji pokreće Sunce i druge zvijezde.
Djeluje tako što uzima parove lakših atoma i spaja ih – ova “fuzija” oslobađa puno energije.
To je suprotno od nuklearne fisije, gdje se teški atomi razdvajaju. Fisija je tehnologija koja se trenutno koristi u nuklearnim elektranama, ali proces također proizvodi mnogo otpada koji nastavlja ispuštati zračenje dugo vremena. Može biti opasno i mora se bezbedno skladištiti.
Nuklearna fuzija proizvodi daleko više energije i samo male količine kratkotrajnog radioaktivnog otpada. I što je važno, proces ne proizvodi emisije stakleničkih plinova i stoga ne doprinosi klimatskim promjenama.
Ali jedan od izazova je da forsiranje i održavanje elemenata zajedno u fuziji zahtijeva vrlo velike količine temperature i pritiska. Do sada, nijedan eksperiment nije uspio proizvesti više energije od količine uložene da bi funkcionirao.
Količina energije koju su generirali u ovom eksperimentu je mala – taman dovoljna da prokuha nekoliko kotlića. Ali ono što predstavlja je ogromno.
Obećanje budućnosti zasnovane na fuziji je korak bliže. Ali još je dug put prije nego što ovo postane stvarnost.
Ovaj eksperiment pokazuje da nauka radi. Prije nego što naučnici uopće mogu razmišljati o tome da ga povećaju, potrebno ga je ponoviti, usavršiti, a količina energije koju generiše moraće biti značajno povećana.
Ovaj eksperiment koštao je milijarde dolara – fuzija nije jeftina. Ali obećanje izvora čiste energije sigurno će biti veliki poticaj za prevazilaženje ovih izazova.
National Ignition Facility u Kaliforniji je eksperiment od 3,5 milijardi dolara (2,85 milijardi funti).
Stavlja malu količinu vodonika u kapsulu veličine zrna bibera.
Zatim se moćni laser sa 192 zraka koristi za zagrijavanje i kompresiju vodikovog goriva.
Laser je toliko jak da može zagrijati kapsulu na 100 miliona stepeni Celzijusa – toplije od centra Sunca, i komprimirati je na više od 100 milijardi puta više od Zemljine atmosfere.
Pod ovim silama kapsula počinje da implodira sama po sebi, prisiljavajući atome vodika da se stapaju i oslobađaju energiju.
Najavljujući proboj, dr. Marvin Adams, zamjenik administratora za odbrambene programe u Nacionalnoj administraciji za nuklearnu sigurnost SAD-a, rekao je da su laseri u laboratoriji dali 2,05 megadžula (MJ) energije u cilj, što je tada proizvelo 3,15 MJ izlazne energije fuzije.
U utorak je tim iz kineskog Instituta za fiziku Hefei najavio da će njegov eksperimentalni napredni superprevodni tokamak (EAST) reaktor – “vještačko Sunce” dizajniran da replicira proces koji naše prirodno Sunce koristi za generiranje energije – stići u novu temperaturnu prekretnicu: 100 milion stepeni Celzijusa (180 miliona stepeni Fahrenheita).
Za poređenje, jezgro našeg stvarnog Sunca dostiže samo oko 27 miliona Fahrenheita – što znači da je reaktor EAST bio kratko više od šest puta topliji od najbliže zvijezde.
Sudar jezgri
Kada se dva jezgra vodika kombinuju, ona proizvode ogromnu količinu energije. Taj proces, poznat kao nuklearna fuzija, je kako naše Sunce generiše svjetlost i toplotu, i to je veliki bijeli kit iz energetskog svijeta – ako bismo mogli pronaći način da ga iskoristimo, imali bi skoro neograničen izvor čistog stanja energije .
Tokamaki poput ISTO-a mogli bi nam pomoći da to uradimo. To su uređaji koji koriste magnetna polja za kontrolu plazme na način koji bi mogao da podrži stabilnu nuklearnu fuziju, a ova plazma je da se EAST zagrijava na tako nevjerovatnu temperaturu.
Idemo nuklearno
Ne samo da je EAST-ov novi plazma temperaturni prekretač izuzetan, jer je, ustvari, vruć, to je takođe minimalna temperatura, za koju naučnici vjeruju da je neophodna za proizvodnju samoodržive nuklearne fuzijske reakcije na Zemlji.
Sada kada je “vještačko Sunce” u Kini sposobno za zagrijavanje plazme na neophodnu temperaturu, istraživači mogu da se usredsrede na sljedeće korake na putu ka stabilnoj nuklearnoj fuziji.
Povoljna čista energija zvuči kao san. Naučnici već dugo misle da bi nuklearna fuzija, vrsta reakcije koja se odvija na zvijezdama poput Sunca, mogla biti jedan od načina da se to desi, ali reakcija je previše teška za održavanje.
Sada smo bliži nego ikad prije nego to postignemo- fizičari sa Univerziteta u Tokiju (UTokyo) kažu da su proizveli najsnažnije ikada kontrolisano magnetsko polje.
“Jedan od načina za proizvodnju fuzijske energije jeste ograničavanje plazme – more napunjenih čestica – u velikom prstenu nazvanom tokamak kako bi se izvukla energija iz njega”, rekao je vodeći istraživač Shojiro Takeyama u saopštenju za javnost. Magnetno polje koje tokamak zahtijeva je “sjajno slično onome što naš uređaj može proizvesti”, rekao je. Da bi generisali magnetno polje, istraživači u UTokyo su napravili sofisticirani uređaj sposoban za elektromagnetnu-fluks-kompresiju (EMFC), metod generiranja magnetnog polja koji je pogodan za unutrašnje poslovanje.
Koristeći uređaj, mogli su proizvesti magnetno polje od 1.200 tesla-oko 120.000 puta jače od magneta koji lijepite na vaše frižider. Iako nije najsnažnije polje ikada stvoreno, fizičari su bili u stanju da ga održe 100 mikrosekundi, hiljadama puta duže od prethodnih pokušaja. Takođe su mogli da kontrolišu magnetno polje, tako da nisu uništili njihovu opremu kao neki prethodni pokušaji stvaranja moćnih polja. Kao što je u saopštenju za medije naveo Takeyama, to znači da njegov tim može da stvori blizu minimalne jačine magnetnog polja i trajanja potrebnog za stabilnu nuklearnu fuziju – i sve nas korak postavlja bliže neograničenoj čistoj energiji koju smo sanjali gotovo stoljeće.
ITER (“The Way” na latinskom) jedan je od najambicioznijih energetskih projekata na svijetu danas.
U južnoj Francuskoj, 35 zemalja surađuju na izgradnji najvećeg svjetskog tokamaka, magnetskog fuzijskog uređaja koji je osmišljen kako bi dokazao izvedivost fuzije kao velikog i nefosilnog izvora energije temeljenog na istom načelu koje naše Sunce i zvijezde napaja.
Slika 1: Iter tokamak
Eksperimentalna kampanja koja će se provesti na ITER-u od ključnog je značaja za unapređenje znanosti o fuziji i pripremanju putova za fuzijske elektrane sutra.
ITER će biti prvi fuzijski uređaj za proizvodnju neto energije. ITER će biti prvi fuzijski uređaj koji će održavati fuzije dugo vremena. ITER će biti prvi spojni uređaj za testiranje integriranih tehnologija, materijala i režima fizike potrebnih za komercijalnu proizvodnju električne energije na temelju fuzije.
Tisuće inženjera i znanstvenika pridonijelo je dizajnu ITER-a, jer je ideja za međunarodni zajednički eksperiment u fuziji prvi put započela 1985. godine. ITER-ovi članovi – Kina, Europska unija, Indija, Japan, Koreja, Rusija i Sjedinjene Države – sada se bave 35-godišnjom suradnjom za izgradnju i upravljanje eksperimentalnim uređajem ITER te zajedno dovode fuziju do točke u kojoj se može projektirati demonstracija fuzije.
Što će ITER učiniti?
Količina fuzijske energije koju tokamak može proizvesti je izravan rezultat broja fuzijskih reakcija koje se odvijaju u svojoj jezgri. Znanstvenici znaju da što je brod veći, to je veći volumen plazme … i stoga veći potencijal za energiju fuzije.
Deset puta veći volumen plazme od najvećeg stroja koji danas radi, ITER Tokamak će biti jedinstveni eksperimentalni alat koji će imati dulju plasmu i bolje zatvaranje. Stroj je dizajniran posebno za:
1) Proizvodimo 500 MW fuzijsku snagu
Svjetski rekord za spajanje snaga održava europski tokamak JET. Godine 1997. JET je proizveo 16 MW fuzijske snage od ukupne ulazne snage od 24 MW (Q = 0,67). ITER je dizajniran za proizvodnju desetostrukog povratka energije (Q = 10) ili 500 MW fuzijske snage od 50 MW ulazne snage. ITER neće iskoristiti energiju koju proizvodi kao električnu energiju, ali – kao prije svega eksperimente spajanja u povijesti kako bi proizveli neto dobitak energije – to će pripremiti put za stroj koji može.
2) Pokazati integrirani rad tehnologija za fuzijsku elektranu
ITER će premostiti jaz između današnjih manjih eksperimentalnih fuzijskih uređaja i demonstracijskih fuzijskih elektrana budućnosti. Znanstvenici će moći proučavati plazme pod uvjetima sličnim onima koji se očekuju u budućoj elektrani i test tehnologijama kao što su grijanje, kontrola, dijagnostika, kriogena i daljinski održavanje.
3) Postići deuterium-tritijevu plazmu u kojoj se reakcija održava kroz unutarnje zagrijavanje
Istraživanje fuzije danas je na pragu istraživanja “plamene plazme” -one na kojem je toplina reakcije fuzije ograničena unutar plazme dovoljno učinkovita da se reakcija dugoročno održava. Znanstvenici su uvjereni da plazme u ITER-u ne samo da će proizvesti mnogo više fuzije, već će ostati stabilne dulje vrijeme.
4) Ispitivanje uzgoja tricija
Jedan od zadataka za kasnije faze rada ITER-a jest pokazati izvedivost proizvodnje tricija u vakuumskoj posudi. Svjetska opskrba tritija (koja se koristi s deuterijem za gorivo reakcije fuzije) nije dovoljna za pokrivanje potreba budućih elektrana. ITER će pružiti jedinstvenu priliku za testiranje u posudama tritium pokrivača u fuziji okoliša.
5) Pokazati sigurnosne karakteristike fuzijskog uređaja
ITER je postigao važan orijentir u povijesti fuzije, kada je 2012. godine ITER organizacija bila licencirana kao nuklearni operator u Francuskoj temeljem strogog i nepristranog pregleda svojih sigurnosnih dosjea. Jedan od primarnih ciljeva rada ITER-a je pokazati kontrolu plazme i reakcije fuzije s neznatnim posljedicama na okoliš.
Šta je fuzija?
Fuzija je izvor energije Sunca i zvijezda. U ogromnoj toplini i gravitaciji u jezgri ovih zvjezdanih tijela, jezgra vodika sudaraju se, spajaju u teže atome helija i oslobađaju ogromne količine energije u tom procesu.
Fuzijska znanost iz dvadesetog stoljeća identificirala je najučinkovitiju fuzijsku reakciju u laboratorijskoj ambijentu kao reakciju između dva izotopa vodika, deuterija (D) i tricija (T). DT fuzijska reakcija proizvodi najveću energiju pri “najnižim” temperaturama.
Treba ispuniti tri uvjeta za postizanje fuzije u laboratoriju: vrlo visoka temperatura (od 150.000.000 Celzijevih stupnjeva); dovoljnu gustoću čestica plazme (kako bi se povećala vjerojatnost pojave sudara); i dovoljno vremena zadržavanja (da zadrži plazmu, koja ima tendenciju proširenja, unutar definiranog volumena).
Na ekstremnim temperaturama, elektroni se odvajaju od jezgri i plin postaje plazma – često se spominje kao četvrto stanje materije. Fuzijska plazma osigurava okruženje u kojem se svjetlosni elementi mogu spajati i donijeti energiju.
U tokamak uređaju koriste se moćna magnetska polja za ograničavanje i kontrolu plazme.
Šta je TOKAMAK?
Energija se danas oslanja na fosilna goriva, nuklearnu fiziju ili obnovljive izvore poput vjetra ili vode. Bez obzira na izvor energije, postrojenja generiraju električnu energiju prebacivanjem mehaničke energije, kao što je rotacija turbine, u električnu energiju. U parnoj stanici na ugljen, sagorijevanje ugljena pretvara vodu u vodenu paru, a vodena energija zauzima generatore turbina za proizvodnju električne energije.
Tokamak je eksperimentalni stroj osmišljen kako bi iskoristio energiju spajanja. Unutar tokamaka, energija proizvedena fuzijom atoma apsorbira se kao toplina u zidovima posude. Baš kao i konvencionalna elektrana, fuzionirana elektrana koristi ovu toplinu za proizvodnju pare, a zatim električnu energiju putem turbina i generatora.
Srce tokamaka je njegova vakuumska komora . Unutra, pod utjecajem ekstremne topline i tlaka, plinovito vodikovo gorivo postaje plazma – vrlo okruženje u kojem se atomi vodika mogu dovesti do osiguravanja i stvaranja energije. Napunjene čestice plazme mogu se oblikovati i kontrolirati pomoću masivnih magnetskih zavojnica postavljenih oko posude; fizičari koriste ovu važnu imovinu da ograniče vruću plazmu daleko od zidova žile. Izraz “tokamak” nam dolazi iz ruskog akronima koji označava “toroidalnu komoru s magnetskim zavojima”.
Prvi put razvijen od sovjetskog istraživanja kasnih šezdesetih godina, tokamak je usvojen u svijetu kao najobrazljivija konfiguracija uređaja za magnetskde fuzije. ITER će biti najveći tokamak na svijetu – dvostruko veći od najvećeg stroja koji je trenutno u pogonu, s deset puta većim volumenom plazme.
TKO SUDJELUJE?
( Projekt ITER je suradnja između 35 država diljem svijeta.
Članice ITER-a Kina, Europska unija, Indija, Japan, Koreja, Rusija i Sjedinjene Države kombinirale su sredstva za osvajanje jedne od najvećih granica u reprodukciji znanosti na Zemlji bezgranične energije koja potiče Sunce i zvijezde.
Kao potpisnice ITER sporazuma, sklopljenog 2006. godine, sedam članica će sudjelovati u troškovima izgradnje, operacije i dekomisije. Također će dijeliti eksperimentalne rezultate i sve intelektualno vlasništvo koje generira faza operacije.
Europa je odgovorna za najveći dio troškova gradnje (45,6 posto); ostatak dijele jednako Kina, Indija, Japan, Koreja, Rusija i SAD (9,1 posto svaki). Članice daju vrlo mali novčani doprinos projektu: umjesto toga, devet desetina doprinosa bit će dostavljene ITER-u u obliku dovršenih komponenti, sustava ili zgrada.
Zajedno, članovi ITER-a predstavljaju tri kontinenta, preko 40 jezika, polovicu svjetske populacije i 85 posto globalnog bruto domaćeg proizvoda. U uredima ITER organizacije (Središnjeg tima) i onih od sedam domaćih agencija, u laboratorijima i industriji, doslovce tisuće ljudi radi na uspjehu ITER-a.
Organizacija ITER također je sklopila sporazume o tehničkoj suradnji s Australijom (putem australske organizacije za nuklearnu znanost i tehnologiju, ANSTO, 2016.) i Kazahstana (preko Kazahstanskog nacionalnog nuklearnog centra u 2017. godini), kao i preko 40 sporazuma o suradnji s međunarodnim organizacijama, nacionalnim laboratorijima, sveučilištima i školama.
Kada će eksperimenti poćeti?
ITERova prva plazma zakazana je za prosinac 2025.
To će biti prvi put kada se stroj uključi i prvi čin ITER-ovog višegodišnjeg operativnog programa.
Na čistom zemljištu od 42 hektara na jugu Francuske, gradnja je u tijeku od 2010. godine. Struktura podloge i seizmičke temelje ITER Tokamaka su u tijeku i radovi su u tijeku na Tokamakovom kompleksu – tri zgrade koji će sadržavati fuzijske eksperimente. Pomoćne biljne građevine kao što su ITER-ov kriopljani, zgrada grijanja radio frekvencije i postrojenja za rashladnu vodu, pretvorbu energije i napajanje su u izgradnji.
Čim je moguće pristupiti zgradi Tokamaka, znanstvenici i inženjeri postupno će sastaviti, integrirati i testirati ITER uređaj za fuziju. Puštanje u rad će potvrditi da svi sustavi funkcioniraju zajedno i pripremiti ITER uređaj za rad.
Uspješna integracija i montaža više od milijun komponenti (deset milijuna dijelova), izgrađena u tvornicama ITERovih članica širom svijeta i isporučena na web stranicu ITER-a, predstavlja ogroman logistički i inženjerski izazov. Skupna radna snaga, kako u ITER-u tako i u domaćim agencijama, doseći će 2.000 ljudi na vrhuncu montažnih aktivnosti. U ITER uredima širom svijeta, točan slijed zbirnih događaja pažljivo je orkestriran i koordiniran. Prve velike komponente isporučene su na ITER mjestu 2015. godine.
U studenome 2017. projekt je prošao polovicu oznake First Plasma.
ITER-ova vremenska linija
2005 Odluka o lociranju projekta u Francuskoj
2006 Potpisivanje ITER sporazuma
2007Formalno stvaranje ITER organizacije
2007-2009Land čišćenje i levelling
2010-2014Ground potporna struktura i seizmički temelji za Tokamak
2012Nuclear licenciranje prekretnica: ITER postaje temeljna nuklearna instalacija prema francuskom zakonu
2014-2021 Izgradnja zgrade Tokamak (pristup za montažne aktivnosti u 2019. godini)
2010.-2021. Izgradnja postrojenja ITER-a i pomoćnih zgrada za prvu plazmu
2008-2021Proizvodnja glavnih komponenti prve plazme
2015-2021 Najveće komponente prevezene su ITER-itinerarom
2018-2025Faza montaže I
2024-2025Integrirana faza puštanja u pogon (puštanje u pogon po sustavu započinje nekoliko godina ranije) 2025. počinje početak rada
Tijekom faze izgradnje ITER-a, Vijeće će pažljivo pratiti uspješnost ITER organizacije i domaćih agencija kroz niz naprednih projekata na visokoj razini.
Oprema za hladnu fuziju u Centru za svemirska istraživanja i pomorske vojne sustave u San Diegu (2005.)
“Trostruke trake” u detektoru neutrona se smatraju dokazom nastajanja neutrona iz paladijevih elektroda obogaćenih deuterijem.
Hladna fuzija i priča o njoj započela je na konferenciji za tisak u ožujku 1989. Stanley Pons i Martin Fleischmann, obojica elektrokemičari, tada na sveučilištu u Utahu u Salt Lake Cityju, izvijestili su da su otkrili nuklearnu fuziju pomoću akumulatora spojenog na elektrode od paladija, uronjene u vodenu kupelj, u kojoj je vodik bio zamijenjen njegovim izotopom deuterijem. Uz tu tvrdnju došlo se do pretpostavke da se fuzijom na stolu može proizvoditi, više ili manje ograničena, jeftina, čista energija.
Imajući u vidu tradicionalno gledanje fizičara na nuklearnu fuziju, a to je spajanje jezgara deuterija, što zahtijeva temperature od više desetaka milijuna stupnjeva Celzija, tvrdnja da se to može učiniti pri sobnoj temperaturi s parom elektroda spojenih na akumulator, izazvala je nevjericu. Iako su neki znanstvenici izvijestili da su uspjeli ponoviti taj rezultat i to mjestimično, mnogi drugi izvijestili su o negativnim rezultatima, pa je hladna fuzija označena vrlo negativno u znanstvenim krugovima.
Uređaj Fleischmanna i Ponsa je uređaj je za elektrolizu vode, no ne obične, nego teške (D2O). Na anodi se oslobađa kisik, a na katodi od paladija, kemijskog srodnika platine, teški vodik ili deuterij. No dio elektrolizom oslobođenog deuterija ostaje zarobljen u paladiju. Tko zna bi li Fleischmann i Pons išta otkrili da elektrolizu nisu radili u kalorimetru pa su otkrili da se temperatura vode u mjernom uređaju (toplinski izoliranoj posudi) ponekad podigne s 30 na 50 °C. Kako energija i toplina ne mogu nastati ni iz čega, u kalorimetru je moralo doći do procesa kojim se oslobađa energija.
Ako platina ima moć da atom vodika približi atomu kisika (i atomima drugih molekula), na čemu se temelji njezino katalitičko djelovanje, možda paladij ima jaču moć da dva iona deuterija D+ (gole atomske jezgre) približi na tako malu udaljenost da se spoje u jezgru helija? Ako platina može katalizirati kemijske reakcije koje se bez nje odvijaju pri temperaturi od 1000 °C, može li paladij katalizirati nuklearne reakcije koje se zbivaju pri 10 000 000 °C.
Istraživanja
U tajnosti, znanstvenici u mnogim zemljama, posebice u SAD-u, Japanu i Italiji, radili su tiho više od jednog desetljeća da bi spoznali znanstveno što stoji iza hladne fuzije. Danas oni to nazivaju nuklearnim reakcijama slabe energije ili, ponekad, kemijski potpomognutim nuklearnim reakcijama. Prvi znak da se odnos prema hladnoj fuziji možda mijenja stigla je u veljači 2002., kada je ratna mornarica SAD-a otkrila da su njezini znanstvenici u tajnosti istraživali hladnu fuziju, više ili manje neprekidno, sve otkako je započeo njezin slom. Većina tih radova obavljena je u Centru za svemirska istraživanja i pomorske vojne sustave u San Diegu, gdje se ideja stvaranja energije iz morske vode – dobrim izvorom teške vode – činila privlačnijom nego u drugim laboratorijima. Mnogi su znanstvenici u Centru radili s Fleischmannom, uvaženim elektrokemičarom, da bi ustanovili da je imao potpuno krivo, što je bilo teško povjerovati.
U San Diegu i drugim istraživačkim centrima znanstvenici su nagomilali mnoštvo dokaza da se događa nešto neobično kada se pusti struja kroz elektrode od paladija, koje su u teškoj vodi. U kolovozu 2003., u hotelu u blizini Instituta za tehnologiju u Cambridgeu (Massachusetts), sastalo se oko 150 inženjera i znanstvenika na 10. međunarodnoj konferenciji o hladnoj fuziji. Promatrači na konferenciji bili su zapanjeni pažljivim načinom kojim se odnosilo prema različitim prijašnjim kritikama upućenim na račun istraživanja.
Tijekom godina, brojne su skupine širom svijeta reproducirale izvorni Pons-Fleischmannov učinak prekomjerne topline, dobivajući ponekad čak 250% od uložene energije. Dakako, prekomjerna energija sama po sebi nije dovoljna da bi se utvrdilo da dolazi do nuklearne fuzije. Kao dodatak energiji, kritičari će odmah naglasiti da bi fuzija jezgri deuterija trebala proizvesti i druge nusproizvode, kao što su helij i izotop vodika tricij. Dokazi o ovim nusproizvodima bili su oskudni iako su Antonella de Ninno i njezini suradnici iz talijanske Nacionalne agencije za nove tehnologije, energiju i okoliš u Rimu pronašli čvrste dokaze stvaranja helija kada se proizvodi prekomjerna toplina, a inače ne. Ostali znanstvenici napokon počinju objašnjavati zašto je teško ponoviti Pons-Fleischmannov pokus.
Mike McKubre sa SRI International u Menlo Parku, Kalifornija, uvaženi istraživač, vrlo utjecajan među onima koji se bave hladnom fuzijom, kaže da se spomenuti učinak može pouzdano ostvariti samo tada kada se elektrode paladija “omotaju” deuterijem uz omjer 100 % – jedan atom deuterija za svaki atom paladija. Njegov rad pokazuje da ako se omjer snizi za samo 10 %, na 90 %, proizvedena toplina će biti samo 1/6 od one kod omjera 100 %. Znanstvenici počinju sve bolje shvaćati kako točno dolazi do spomenutog učinka. Stanislaw Szpak sa suradnicima pri Zapovjedništvu za svemirska istraživanja i pomorske vojne sustave snimio je infracrvenim zrakama elektrode od paladija kako proizvode prekomjernu energiju. Ispada da se toplina ne proizvodi neprekidno po cijeloj elektrodi nego samo u vrućim točkama koje erumpiraju i zatim nestaju s površine elektrode. Ista je ekipa došla do dokaza o neobičnim minieksplozijama na površini elektrode.
Znanstvenici Lahey, Taleyarkhan i Nigmatulin tvrde da na taj način mogu izazvati fuziju u običnoj cijevi od Pyrex stakla koristeći deuterizirani aceton. Pomoću generatora neutrona izazivaju nastanak mjehurića u tekućini, te ih pomoću zvučnih valova implodiraju. Emisiju neutrona, koji su produkt fuzije, prate pomoću detektora neutrona. Mnogi znanstvenici su kritizirali Taleyarkhana da skriva načine na koje je izazvao sonofuziju, te nacrte aparature, zbog toga što gotovo nitko nije uspješno ponovio njegove eksperimente. On se, pak, brani da je uvijek iznosio sve potrebno da bi se pokusi uspješno obavili, te je raznim metodama pokušavao dokazati uspješnost svojih eksperimenata, no i dalje je cijelo to područje obavijeno velom tajne i intrige.
Hladna fuzija u Bologni
Dva znanstvenika sa Sveučilišta u Bologni, fizičar Sergio Focardi i inženjer Andrea Rossi, su 14. siječnja 2011. izveli pokus s hladnom fuzijom i time održali praktični prikaz rada ovog sustava pred odabranom publikom novinara, istraživača i profesora. Energetski katalizator je veličine stola. Iznos proizvedene energije je izračunat na temelju mjerenja količine vode koja isparava u jednoj sekundi. Po završetku eksperimenta, Rossi zaključuje da je potrošeno je 600 kWh, a proizvedeno 12 000 kWh.
Izvori
“Hladna fuzija”, Daniel Posavec, 2011.
“Prica s hladnom fuzijom”, Scificentar forum, 2011.
“Hladna fuzija”, dr. sc. Nenad Raos, Zagreb, 2011.
Oprema za hladnu fuziju u Centru za svemirska istraživanja i pomorske vojne sustave u San Diegu (2005.)
“Trostruke trake” u detektoru neutrona se smatraju dokazom nastajanja neutrona iz paladijevih elektroda obogaćenih deuterijem.
Hladna fuzija i priča o njoj započela je na konferenciji za tisak u ožujku 1989. Stanley Pons i Martin Fleischmann, obojica elektrokemičari, tada na sveučilištu u Utahu u Salt Lake Cityju, izvijestili su da su otkrili nuklearnu fuziju pomoću akumulatora spojenog na elektrode od paladija, uronjene u vodenu kupelj, u kojoj je vodik bio zamijenjen njegovim izotopom deuterijem. Uz tu tvrdnju došlo se do pretpostavke da se fuzijom na stolu može proizvoditi, više ili manje ograničena, jeftina, čista energija.
Imajući u vidu tradicionalno gledanje fizičara na nuklearnu fuziju, a to je spajanje jezgara deuterija, što zahtijeva temperature od više desetaka milijuna stupnjeva Celzija, tvrdnja da se to može učiniti pri sobnoj temperaturi s parom elektroda spojenih na akumulator, izazvala je nevjericu. Iako su neki znanstvenici izvijestili da su uspjeli ponoviti taj rezultat i to mjestimično, mnogi drugi izvijestili su o negativnim rezultatima, pa je hladna fuzija označena vrlo negativno u znanstvenim krugovima.
Uređaj Fleischmanna i Ponsa je uređaj je za elektrolizu vode, no ne obične, nego teške (D2O). Na anodi se oslobađa kisik, a na katodi od paladija, kemijskog srodnika platine, teški vodik ili deuterij. No dio elektrolizom oslobođenog deuterija ostaje zarobljen u paladiju. Tko zna bi li Fleischmann i Pons išta otkrili da elektrolizu nisu radili u kalorimetru pa su otkrili da se temperatura vode u mjernom uređaju (toplinski izoliranoj posudi) ponekad podigne s 30 na 50 °C. Kako energija i toplina ne mogu nastati ni iz čega, u kalorimetru je moralo doći do procesa kojim se oslobađa energija.
Ako platina ima moć da atom vodika približi atomu kisika (i atomima drugih molekula), na čemu se temelji njezino katalitičko djelovanje, možda paladij ima jaču moć da dva iona deuterija D+ (gole atomske jezgre) približi na tako malu udaljenost da se spoje u jezgru helija? Ako platina može katalizirati kemijske reakcije koje se bez nje odvijaju pri temperaturi od 1000 °C, može li paladij katalizirati nuklearne reakcije koje se zbivaju pri 10 000 000 °C.
Istraživanja
U tajnosti, znanstvenici u mnogim zemljama, posebice u SAD-u, Japanu i Italiji, radili su tiho više od jednog desetljeća da bi spoznali znanstveno što stoji iza hladne fuzije. Danas oni to nazivaju nuklearnim reakcijama slabe energije ili, ponekad, kemijski potpomognutim nuklearnim reakcijama. Prvi znak da se odnos prema hladnoj fuziji možda mijenja stigla je u veljači 2002., kada je ratna mornarica SAD-a otkrila da su njezini znanstvenici u tajnosti istraživali hladnu fuziju, više ili manje neprekidno, sve otkako je započeo njezin slom. Većina tih radova obavljena je u Centru za svemirska istraživanja i pomorske vojne sustave u San Diegu, gdje se ideja stvaranja energije iz morske vode – dobrim izvorom teške vode – činila privlačnijom nego u drugim laboratorijima. Mnogi su znanstvenici u Centru radili s Fleischmannom, uvaženim elektrokemičarom, da bi ustanovili da je imao potpuno krivo, što je bilo teško povjerovati.
U San Diegu i drugim istraživačkim centrima znanstvenici su nagomilali mnoštvo dokaza da se događa nešto neobično kada se pusti struja kroz elektrode od paladija, koje su u teškoj vodi. U kolovozu 2003., u hotelu u blizini Instituta za tehnologiju u Cambridgeu (Massachusetts), sastalo se oko 150 inženjera i znanstvenika na 10. međunarodnoj konferenciji o hladnoj fuziji. Promatrači na konferenciji bili su zapanjeni pažljivim načinom kojim se odnosilo prema različitim prijašnjim kritikama upućenim na račun istraživanja.
Tijekom godina, brojne su skupine širom svijeta reproducirale izvorni Pons-Fleischmannov učinak prekomjerne topline, dobivajući ponekad čak 250% od uložene energije. Dakako, prekomjerna energija sama po sebi nije dovoljna da bi se utvrdilo da dolazi do nuklearne fuzije. Kao dodatak energiji, kritičari će odmah naglasiti da bi fuzija jezgri deuterija trebala proizvesti i druge nusproizvode, kao što su helij i izotop vodika tricij. Dokazi o ovim nusproizvodima bili su oskudni iako su Antonella de Ninno i njezini suradnici iz talijanske Nacionalne agencije za nove tehnologije, energiju i okoliš u Rimu pronašli čvrste dokaze stvaranja helija kada se proizvodi prekomjerna toplina, a inače ne. Ostali znanstvenici napokon počinju objašnjavati zašto je teško ponoviti Pons-Fleischmannov pokus.
Mike McKubre sa SRI International u Menlo Parku, Kalifornija, uvaženi istraživač, vrlo utjecajan među onima koji se bave hladnom fuzijom, kaže da se spomenuti učinak može pouzdano ostvariti samo tada kada se elektrode paladija “omotaju” deuterijem uz omjer 100 % – jedan atom deuterija za svaki atom paladija. Njegov rad pokazuje da ako se omjer snizi za samo 10 %, na 90 %, proizvedena toplina će biti samo 1/6 od one kod omjera 100 %. Znanstvenici počinju sve bolje shvaćati kako točno dolazi do spomenutog učinka. Stanislaw Szpak sa suradnicima pri Zapovjedništvu za svemirska istraživanja i pomorske vojne sustave snimio je infracrvenim zrakama elektrode od paladija kako proizvode prekomjernu energiju. Ispada da se toplina ne proizvodi neprekidno po cijeloj elektrodi nego samo u vrućim točkama koje erumpiraju i zatim nestaju s površine elektrode. Ista je ekipa došla do dokaza o neobičnim minieksplozijama na površini elektrode.
Znanstvenici Lahey, Taleyarkhan i Nigmatulin tvrde da na taj način mogu izazvati fuziju u običnoj cijevi od Pyrex stakla koristeći deuterizirani aceton. Pomoću generatora neutrona izazivaju nastanak mjehurića u tekućini, te ih pomoću zvučnih valova implodiraju. Emisiju neutrona, koji su produkt fuzije, prate pomoću detektora neutrona. Mnogi znanstvenici su kritizirali Taleyarkhana da skriva načine na koje je izazvao sonofuziju, te nacrte aparature, zbog toga što gotovo nitko nije uspješno ponovio njegove eksperimente. On se, pak, brani da je uvijek iznosio sve potrebno da bi se pokusi uspješno obavili, te je raznim metodama pokušavao dokazati uspješnost svojih eksperimenata, no i dalje je cijelo to područje obavijeno velom tajne i intrige.
Hladna fuzija u Bologni
Dva znanstvenika sa Sveučilišta u Bologni, fizičar Sergio Focardi i inženjer Andrea Rossi, su 14. siječnja 2011. izveli pokus s hladnom fuzijom i time održali praktični prikaz rada ovog sustava pred odabranom publikom novinara, istraživača i profesora. Energetski katalizator je veličine stola. Iznos proizvedene energije je izračunat na temelju mjerenja količine vode koja isparava u jednoj sekundi. Po završetku eksperimenta, Rossi zaključuje da je potrošeno je 600 kWh, a proizvedeno 12 000 kWh.
Izvori
“Hladna fuzija”, Daniel Posavec, 2011.
“Prica s hladnom fuzijom”, Scificentar forum, 2011.
“Hladna fuzija”, dr. sc. Nenad Raos, Zagreb, 2011.
Fuzijska reakcija deuterij-tricij (D-T) smatra se najboljom reakcijom za dobivanje energije fuzije
U fizici je nuklearna fuzija proces u kome se spaja više atomskih jezgri pri čemu nastaje teža atomska jezgra. To je praćeno oslobađanjem ili apsorpcijom energije što je ovisno o masi uključenih atomskih jezgri. Jezgre željeza i nikla imaju najveću energiju veze po nukleonu i zbog toga su one najstabilnije između svih drugih jezgri. Fuzija dvije jezgre lakših od jezgri željeza ili nikla najčešće oslobađa energiju, dok fuzija jezgri koje su teže od jezgri željeza ili nikla apsorbira energiju – obrnuto je kod reverznog procesa nuklearne fisije.
Pregled
Nuklearna fuzija lakih elemenata oslobađa energiju koja uzrokuje sjaj zvijezda i eksploziju vodikove bombe. Nuklearna fuzija težih elemenata (uz apsorpciju energije) javlja se pri ekstremnim uvjetima visoke energije ili kod eksplozije supernove. Nuklearna fuzija kod zvijezda i supernovih je glavni proces kojim se stvaraju novi prirodni elementi. Ova reakcija se koristi kod dobivanja energije nuklearne fuzije.
Potrebna je znatna energija da bi se izazvala nuklearna fuzija, čak i kod najlakšeg elementa vodika. Međutim, fuzijom lakših jezgri kojom nastaje teža jezgra i slobodni neutron, obično se oslobađa više energije nego što je potrebno da bi se jezgre spojile. To je egzotermni proces kojim mogu nastati samoodržive reakcije.
Energija oslobođena u većini nuklearnih reakcija je mnogo veća od energije kemijskih reakcija, zato što je energija veze koja veže skupa nukleone u jezgri znatno veća od energije koja veže elektrone oko jezgre atoma. Na primjer, ionizacijska energija dobivena dodavanjem elektrona jezgri atoma vodika je 13,6 eV, manje od milijuntog dijela 17 MeV energije koja se oslobađa u prikazanoj reakciji D-T (deuterij-tricij).
Glavne faze ciklusa nuklearne fuzije u zvijezdama razradio je znanstvenik Hans Bethe.
Uvjeti za fuziju
Da bi došlo do fuzije potrebno je savladati znatnu energetsku barijeru. Na velikim udaljenostima dvije potpuno ionizirane atomske jezgre odbijaju jedna drugu zbog odbojnih elektrostatičkih sila koje postoje između njihovih pozitivno nabijenih protona. Kada se dvije jezgre približe na udaljenost potrebnu za pojavu fuzije elektrostatička barijera će biti savladana zbog jakih nuklearnih sila koje su na maloj udaljenosti jače od elektrostatičkih odbojnih sila.
Kada se nukleoni kao što je proton ili neutron dodaju jezgri, jaka sila privlači ih prema drugim nukleonima u tom jezgru, ali prvenstveno ih privlači prema najbližim susjednim nukleonima zbog kratkog dometa te sile. Nukleoni u nutrini jezgre imaju više susjednih nukleona nego oni nukleoni koji se nalaze na površini jezgre. Pošto manja jezgra ima veći odnos oplošja prema obujmu, energija veze po nukleonu zbog jake sile obično se povećava sa veličinom atomske jezgre, ali se približava graničnoj vrijednosti koja odgovara onoj vrijednosti koju ima potpuno okružen nukleon.
Elektrostatička sila, s druge strane, je sila koja opada s kvadratom udaljenosti, tako da na proton koji se dodaje atomskoj jezgri djeluje elektrostatičko odbijanje od svih drugih protona u jezgri. Elektrostatička energija po nukleonu povećava se zbog elektrostatičke sile, bez ograničenja s povećavanjem jezgre.
Ukupni rezultat ovih suprotnih sila je taj da se energija veze po nukleonu povećava s povećanjem veličine atomske jezgre, sve do elemenata željeza i nikla, a zatim se za teže atomske jezgre smanjuje. Na posljetku, energija veze postaje negativna i zbog toga su vrlo teške jezgre nestabilne. Četiri najčvršće vezane jezgre, padajućim redom u odnosu na energiju veze su: 62Ni, 58Fe, 56Fe, i 60Ni. Iako je izotop nikla 62Ni stabilniji, izotop željeza 56Fe je zastupljeniji. To je zbog veće brzine raspadanja 62Ni u unutrašnjosti zvijezda uzrokovanog apsorpcijom fotona.
Istaknuti izuzetak od ovog pravila je jezgra helija-4, čija je energija veze veća od energije veze litija, sljedećeg težeg elementa. Objašnjenje za takvo posebno ponašanje nam daje Paulijev princip isključivanja – kako su protoni i neutroni fermioni, oni ne mogu postojati u točno jednakom stanju. Svako stanje energije protona ili neutrona u jezgri može imati po jednu česticu gornjeg i donjeg spina. Helij-4 ima anomalno veliku energiju veze jer se njegova jezgra sastoji od dva protona i dva neutrona, tako da sva četiri nukleona mogu biti u osnovnom stanju. Bilo koji dodatni nukleoni moraju zauzimati stanje više energije.
Situacija je slična ako se približe dvije atomske jezgre. Dok se jedna jezgra približava drugoj, svi protoni jedne jezgre odbijaju sve protone u drugoj. Jaka nuklearna sila može prevladati ovo odbijanje tek kada se dvije jezgre međusobno dotaknu. Prema tome, čak i kada je krajnje energetsko stanje niže, i dalje postoji velika energetska barijera koja se mora prevladati. U kemiji je slična pojava poznata kao aktivacijska energija. U nuklearnoj fizici ona se zove Coulombova barijera.
Coulombova barijera je najmanja za izotope vodika – oni imaju samo jedan pozitivni naboj u jezgri. Jezgra u kome bi se nalazila samo dva protona ne bi bila stabilna, tako da moraju sudjelovati i neutroni, u idealnom slučaju je jedan od produkata vrlo čvrsto vezana jezgra helija.
Koristeći deuterij-tricijsko gorivo, energetska barijera je oko 0,1 MeV. U usporedbi, energija koja je potrebna za uklanjanje elektrona iz atoma vodika je 13,6 eV, što je oko 7500 puta manje. Prijelazni rezultat fuzije deuterija i tricija je nestabilna jezgra 5He, koja odmah izbacuje neutron uz energiju od 14,1 MeV. Energija uzmaka preostale jezgre 4He je 3,5 MeV, tako da je ukupno oslobođena energija 17,6 MeV. Ovo je višestruko veća energija od one koja je potrebna da bi se savladala energetska barijera.
Ako energija kojom se započinje reakcija dolazi od ubrzavanja jedne jezgre, proces se zove fuzija “snop-meta” (beam-target), ako su obje jezgre ubrzane to je onda fuzija “snop-snop” (beam-beam). Ako su jezgre dijelovi plazme koja je blizu termalnog ekvilibrija (ravnoteže), onda se radi o termonuklearnoj fuziji. Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije čestica, pa zagrijavanjem jezgre dobivaju energiju i mogu je dobiti dovoljno za savladavanje barijere od 0,1 MeV. Može se izračunati da je za tu vrijednost energije potrebna temperatura veća od 160 GK (gigakelvina), što je očito vrlo visoka vrijednost.
Postoje dva učinka koji smanjuju ukupnu potrebnu temperaturu. Jedan je činjenica da je temperatura prosječna kinetička energija, što znači da će pojedine jezgre na toj temperaturi stvarno imati mnogo veću energiju od 0,1 MeV, dok će ostale imati mnogo manju energiju. Upravo će jezgre koje se nalaze na visokoenergetskom repu funkcije raspodjele brzine sudjelovati u većini fuzijskih reakcija. Drugi učinak je kvantno tuneliranje. Jezgre ne moraju stvarno imati dovoljno energije da potpuno savladaju Coulombovu barijeru. Ako imaju skoro dovoljno energije, one mogu proći kroz preostalu barijeru. Zbog ovih će razloga gorivo i na nižoj temperaturi sudjelovati u fuzijskim procesima, ali u manjoj mjeri.
Brzina fuzijskih reakcija deuterij-tricij povećava se brzo sa temperaturom dok ne dostigne svoj maksimum na oko 70 keV (800 milijuna Kelvina), a onda postupno pada
Reakcijski presjek σ je mjera vjerojatnosti fuzijske reakcije kao funkcije relativne brzine između dvije jezgre u reakciji. Ako postoji raspodjela brzina, npr. kod termonuklearne fuzije raspodjela je termalna, tada je korisno izvesti prosjek raspodjele umnoška presjeka i brzine. Brzina reakcije (broj fuzija po obujmu u vremenu) je <σv> puta umnožak brojčane gustoće reaktanata:
Ako u reakciji sudjeluje samo jedna vrsta jezgri, kao što je to kod D-D reakcija, onda se umnožak mora zamijeniti s . se povećava praktički od nule pri sobnoj temperaturi do značajnih veličina pri temperaturama od 10 do 100 keV. Na ovim temperaturama, daleko iznad tipičnih ionizacijskih energija (13,6 eV u slučaju vodika), fuzija reaktanata postoji u stanju plazme.
Ovisnost <σv> o temperaturi u uređaju s određenim vremenom zadržavanja energije izvodi se uzimajući u obzir Lawsonov kriterij.
Metode zadržavanja goriva
Fuzijska reakcija može održavati samu sebe ako se dovoljna količina proizvedene energije upotrebljava za održavanje goriva na visokoj temperaturi.
Gravitacijsko zadržavanje
Jedna od sila koja može zadržati gorivo dovoljno dobro da zadovolji Lawsonov kriterij je gravitacija. Međutim, potrebna masa je toliko velika da je gravitacijsko zadržavanje otkriveno samo kod zvijezda. Čak i uz korištenje goriva veće reaktivnosti, kao što je deuterij, bila bi potrebna masa veličine Mjeseca.
Magnetsko zadržavanje
Budući da su plazme vrlo dobri električni vodiči, magnetska polja mogu također zadržavati fuzijsko gorivo. Može se koristiti čitav niz magnetskih konfiguracija, najosnovnija razlika postoji između zrcalnog zadržavanja i toroidnog zadržavanja, posebno između Tokamaka i Stelaratora.
Inercijsko zadržavanje
Treći način zadržavanja je primjena naglog impulsa energije na veliki dio površine kuglice fuzijskog goriva, uzrokujući istovremenu imploziju i razvijanje topline do vrlo visokog tlaka i temperature. Ako je gorivo dovoljne gustoće i dovoljno ugrijano, brzina fuzijske reakcije će biti dovoljno visoka za izgaranje značajnog dijela goriva prije nego što dođe do rasipanja. Da bi se postigli ovi ekstremni uvjeti, početno hladno gorivo se mora eksplozivno stlačiti. Inercijsko zadržavanje se koristi kod vodikove bombe, gdje kao pobuđivač služe x-zrake stvorene pomoću fisijske bombe. Inercijskim zadržavanjem se također pokušalo ostvariti kontroliranu nuklearnu fuziju, gdje kao pobuđivač služi laserska, ionska ili elektronska zraka, te tzv. Z-pinch.
Ispituju se i drugi principi zadržavanja, kao što su muon-katalizirana fuzija, Farnsworth-Hirschov fuzor (inercijsko elektrostatičko zadržavanje) i mjehurasta fuzija.
Načini proizvodnje fuzije
Poznato je mnoštvo načina kojima se utječe na nuklearnu fuziju. Neki su “hladni” u strogom značenju jer nijedan dio materijala (osim produkata reakcije) nije na visokoj temperaturi, neki su “hladni” u ograničenom značenju jer je većina materijala osim reaktanata na niskoj temperaturi i tlaku, a neke su “vrući” jer se njima stvaraju makroskopska područja vrlo visoke temperature i tlaka.
Lokalno hladna fuzija:
Muon-katalizirana fuzija je dobro ustanovljen i ponovljiv fuzijski proces koji se dešava na uobičajenim temperaturama. Detaljno je proučavana od strane Stevena E. Jonesa tijekom ranih 1980-ih godina. Nije objavljeno da je proizvedena energija veća od utrošene. Vjeruje se da proizvodnja neto energije nije moguća zbog količine energije potrebne za stvaranje muona, njihovog poluvremena raspada od 2,2 µs i zbog vjerojatnosti da se muon veže s novom alfa česticom i zbog toga prestane katalizirati fuziju.
nuklearne reakcije niske energije su sporno područje istraživanja u cilju proizvodnje nuklearne fuzije.
Općenito hladna, a lokalno vruća fuzija:
U sonoluminescenciji, akustički udarni valovi stvaraju privremene mjehuriće koji se urušavaju kratko nakon stvaranja, proizvodeći vrlo visoke temperature i tlakove. Tijekom 2002. godine, Rusi P. Taleyarkhan objavio je mogućnost pojavljivanja mjehuraste fuzije u privremenim mjehurićima (“sono fuzija”). Pokusi (zaključno sa 2005.) koji bi trebali utvrditi pojavu fuzije su dali proturječne rezultate. Ako dolazi do fuzije to je zato što su lokalna temperatura i tlak dovoljno visoki za nastanak vruće fuzije.
Farnsworth-Hirschov fuzor je uređaj u kome se odvija fuzija, a veličinom takav da se može postaviti na stol. Fuzija se odvija zbog visokih efektivnih temperatura koje se postižu elektrostatičkim ubrzavanjem iona. Uređaj se može jeftino napraviti, ali ne može postići pozitivan ukupni rezultat snage.
Antimaterijom inicirana fuzija koristi malu količinu antimaterije da bi započela malu fuzijsku eksploziju. Ovo je proučavano naročito u kontekstu izrade moguće nuklearnog pulsnog pogona.
To nije ni blizu praktičnog izvora energije, zbog visoke cijene proizvodnje same antimaterije.
Piroelektrična fuzija obajvljane je u travnju 2005. godine od strane tima s UCLA. Znanstvenici su koristili piroelektrične kristale zagrijane od -34 do 7 °C, kombinirane s iglama od volframa, kako bi proizveli električno polje od oko 25 gigavolti po metru za ioniziranje i ubrzavanje jezgri deuterija prema meti od erbijevog deuterida. Iako energija iona deuterija stvorenih pomoću kristala nije bila direktno izmjerena, znanstvenici su je u svom modelu procijenili na 100 keV (temperatura oko 109 K). Pri tim razinama energija dvije se jezgre deuterija mogu spojiti kako bi stvorile jezgru helija-3, neutron energije 2,45 MeV i tzv. bremsstrahlung (zakočno zračenje).
Iako je to koristan generator neutrona, uređaj nije predviđen za dobivanje energije jer troši mnogo više energije nego što je proizvodi.
Vruća fuzija:
“Standardna” “vruća” fuzija, u kojoj gorivo dostiže ogromne temperature i tlakove unutar fuzijskog reaktora i nuklearnog oružja.
Načini u drugoj grupi su primjeri neuravnoteženih sustava, u kojima se vrlo visoke temperature i tlakovi stvaraju u relativno malim područjima koji graniče s materijalom mnogo niže temperature. Todd Rider je u svom doktoratu teorijski proučio sve neuravnotežene fuzijske sustave. On je predočio da će svi takvi sustavi gubiti energiju velikom brzinom zbog bremsstrahlunga, zračenja koja nastaje kada elektroni u plazmi udare u druge elektrone ili ione koji su na nižoj temperaturi i zbog toga iznenada usporavaju. Problem nije izrazit u vrućoj plazmi zbog toga što su raspon temperatura, a time i vrijednost usporavanja znatno manji.
Značajne fuzijske reakcije
Niz proton-proton dominira u zvijezdama veličine Sunca ili manjim
Ciklus CNO dominira u zvijezdama koje su teže od našeg Sunca
Astrofizički reakcijski nizovi
Najznačajniji fuzijski proces u prirodi je onaj koji pokreće zvijezde. Krajnji rezultat je fuzija četiri protona u jednu alfa česticu, s oslobađanjem dva pozitrona, dva neutrina i energije, međutim, ovisno o masi zvijezde, sudjeluje nekoliko pojedinačnih reakcija. Za zvijezde veličine Sunca ili manje, dominira niz proton-proton. Kod težih zvijezda, bitniji je ciklus CNO. Oba tipa procesa su odgovorna za stvaranje novih elemenata kao dio nukleosinteze zvijezda.
Na temperaturama i gustoćama u jezgrama zvijezda brzine fuzijskih reakcija su i dalje ekstremno spore. Na primjer, pri temperaturi (T ~ 15 MK) i gustoći (~120 g/cm3) u jezgri Sunca odnos stvaranje energije prema obujmu je samo ~0.1 mikrovat/cm3, što je milijun puta manje od obične svijeće i tisuću puta manje od odnosa pri stvaranja topline u ljudskom tijelu. Zbog toga je reprodukcija uvjeta iz zvjezdane jezgre u laboratoriju kako bi se dobila energija nuklearne fuzije potpuno nepraktična.
Kriteriji i kandidati za fuzijske reakcije na Zemlji
Kod fuzije koju stvara čovjek, primarno gorivo nije ograničeno na protone i mogu se koristiti više temperature, tako da se biraju reakcije s velikim presjekom. To podrazumijeva niži Lawsonov kriterij, i zbog toga manji početni napor. Drugi problem je nastanak neutrona, koji radiološki aktiviraju strukturu reaktora, ali imaju prednost zbog toga što omogućavaju volumetrijsku ekstrakciju energije fuzije i stvaranje (“oplodnju”) tricija. Reakcije pri kojima se ne oslobađaju neutroni zovu se aneutronske reakcije.
Da bi bile korisne kao izvor energije, fuzijske reakcije moraju zadovoljiti nekoliko kriterija. To su:
egzotermičnost – Ovo je možda očito, ali to ograničava reaktante na one koji se na krivulji energije vezanja nalaze na strani malih Z brojeva (broj protona). To čini helij-4 najuobičajenijim produktom zbog svog izrazito jakog vezanja nukleona u jezgri, iako se također pojavljuju i helij-3 te tricij,
sudjelovanje jezgri s malim Z brojem – To je zbog toga što se mora prevladati elektrostatičko odbijanje prije nego što se atomske jezgre približe dovoljno blizu kako bi se spojile,
postojanje dva reaktanta – Pri bilo kojoj gustoći koja je manja od gustoće zvijezda, sudari tri tijela su vrlo malo vjerojatni. Treba uočiti da su kod unutarnjeg zadržavanja i gustoća i temperatura mnogo veće nego kod zvijezda kako bi se kompenzirala mala vrijednost trećeg parametra Lawsonovog kriterija, vrlo kratko vrijeme zadržavanja,
postojanje dva ili više produkata – Ovo omogućava očuvanje i energije i količine gibanja bez ovisnosti o (slaboj!) elektromagnetskoj sili,
očuvanje i protona i neutrona – Presjeci slabe nuklearne sile su premali.
Za reakcije s dva produkta, energija je između njih podijeljena u obrnutim razmjerima u odnosu na njihove mase, kao što je prikazano. U većini reakcija s tri produkta, raspodjela energije varira. Za reakcije koje mogu dati više od jednog skupa produkata dati su razmjeri grananja.
Neki kandidati za reakcije se mogu odmah eliminirati. D-6Li reakcija nema prednost u usporedbi sa p-11B jer ju je otprilike jednako teško održavati, ali proizvodi znatno više neutrona preko sporedne D-D reakcije. Tu je i p-7Li reakcija, ali je njen presjek previše mali, osim vjerojatno uz Ti > 1 MeV, ali pri tako visokim temperaturama također postaje značajna endotermička reakcija koja direktno stvara neutrone. Konačno, tu je i p-9Be reakcija, koja ne samo da se teško održava, već se 9Be može lako navesti na dijeljenje u dvije alfa čestice i neutron.
Uz fuzijske reakcije, sljedeće reakcije s neutronima su značajne zbog “oplođivanja” tricija u “suhim” fuzijskim bombama i nekim predloženim fuzijskim reaktorima:
n + 6Li → T + 4He
n + 7Li → T + 4He + n
Da bi se procijenila upotrebljivost ovih reakcija, u odnosu na reaktante, produkte i oslobođenu energiju, treba znati nešto i o presjeku. Za bilo koji fuzijski uređaj postoji maksimalni tlak plazme koji uređaj može izdržati, a štedljivi će uređaj uvijek raditi blizu tog maksimuma. Uz taj će se tlak najveći rezultat fuzije postići kada je temperatura izabrana tako da je <σv>/T² maksimalno. To je također i temperatura pri kojoj je vrijednost trostrukog umnoška nTT potrebnog za paljenje minimalna. Ova optimalna temperatura i vrijednost koju pri toj temperaturi ima <σv>/T² je za nekoliko takvih reakcija prikazana u slijedećoj tablici.
gorivo
T (keV)
<σv>/T² (m³/s/keV²)
D-T
13,6
1,24·10-24
D-D
15
1,28·10-26
D-3He
58
2,24·10-26
p-6Li
66
1,46·10-27
p-11B
123
3,01·10-27
Treba napomenuti da mnoge reakcije stvaraju nizove. Na primjer, reaktor koji kao gorivo koristi T i 3He stvorit će određenu količinu D, koji je onda moguće koristiti u reakciji D + 3He Ako su energije “ispravne”. Elegantna ideja je kombinirati reakcija (8) i (9). 3He iz reakcije (8) može reagirati sa 6Li u reakciji (9) prije potpune termalizacije. Time se stvara proton visoke energije koji tada prolazi kroz reakciju (8) prije termalizacije. Detaljna analiza pokazuje da ova ideja u stvarnosti neće dobro funkcionirati, ali je dobar primjer slučaja gdje uobičajena pretpostavka plazme s Maxwell-Boltzmanovom raspodjelom nije odgovarajuća.
Neutronost, uvjeti zadržavanja i gustoća snage
Jedina fuzijska reakcija ostvarena do sada je eksplozija termonuklearne bombe, od kojih je prva ovdje prikazana Ivy Mike
Bilo koja od gore navedenih reakcija može biti osnova proizvodnje fuzijske energije. U dodatku temperaturi i presjeku o kome se već govorilo, mora se razmotriti totalna energija fuzijskih produkata. Efuz, energija električki nabijenih fuzijskih produkata Een i atomski broj Z reaktanata koji nisu vodikovi izotopi.
Specificiranje reakcije D-D ipak povlači za sobom određene teškoće. Za početak, mora se naći prosjek ogranaka (2) i (3). Teže je odlučiti kako tretirati produkte T i 3He. T u deuterijskoj plazmi tako dobro izgara da ga je iz plazme skoro nemoguće izdvojiti. Reakcija D-3He je optimalna na mnogo višim temperaturama, tako da izgaranje pri optimalnoj D-D temperaturi može biti slabo, pa izgleda razumno pretpostaviti da će T, a ne 3He, izgarati i time ukupnoj reakciji dodavati energiju. Prema tome fuzijsku energiju reakcije D-D izračunavamo kao Efuz = (4,03 + 17,6 + 3,27)/2 = 12,5 MeV, a energiju nabijenih čestica kao Een = (4,03 + 3,5 + 0,82)/2 = 4,2 MeV.
Još jedan poseban vid D-D reakcija je taj što postoji samo jedan reaktant, što se kod izračunavanja brzine reakcije mora uzeti u obzir.
S ovim izborom, u tablici su prikazani parametri za četiri najvažnije reakcije.
gorivo
Z
Efuz (MeV)
Een (MeV)
neutronost
D-T
1
17,6
3,5
0,80
D-D
1
12,5
4,2
0,66
D-3He
2
18,3
18,3
~0,05
p-11B
5
8,7
8,7
~0,001
Zadnji stupac pokazuje neutronost reakcije, odnosno dio fuzijske energije oslobođen u obliku neutrona. To je važan pokazatelj veličine problema povezanih s neutronima kao što su radijacijsko oštećivanje, biološki štit, daljinskog upravljanja i sigurnost. Za prve dvije reakcije izračunava se kao (Efuz – Een)/Efuz. Za zadnje dvije reakcije, gdje bi ovaj proračun dao nulu, navedene vrijednosti su grube procijene na temelju sporednih reakcija koje proizvode neutrone u plazmo koja je u termalnoj ravnoteži.
Naravno, reaktanti bi trebali biti pomiješani u optimalnim omjerima. To je slučaj kada svaki ion reaktanta i njegovi pridruženi elektroni doprinose svaki po polovicu tlaka. Pretpostavljajući da je ukupni tlak stalna vrijednost, to znači da je gustoća nevodikovih iona manja od gustoće vodikovih iona za vrijednost 2/(Z + 1). Dakle brzina tih rekcija je smanjena za istu vrijednost, pored razlike u vrijednosti za <σv>/T². S druge strane, kako D-D reakcija ima samo jedan reaktant, brzina je dva puta veća nego kada bi gorivo bilo raspodijeljeno na dvije vrste vodika.
Tako postoji “kazna” od (2/(Z + 1)) za nevodikova goriva koja proizilazi iz činjenice da im je potrebno više elektrona, koji doprinose tlaku bez učešća u reakciji fuzije. U isto vrijeme postoji i “bonus” iznosa 2 za D-D reakciju, zbog činjenice da svaki ion može reagirati sa svakim drugim ionom, a ne samo sa dijelom njih.
Sada možemo usporediti ove reakcije u slijedećoj tablici.
gorivo
<σv>/T²
kazna/bonus
reaktivnost
Lawsonov kriterij
gustoća snage
D-T
1,24·10-24
1
1
1
1
D-D
1,28·10-26
2
48
30
68
D-3He
2,24·10-26
2/3
83
16
80
p-11B
3,01·10-27
1/3
1240
500
2500
Maksimalna vrijednost <σv>/T² je uzeta iz prethodne tablice. Faktor “kazna/bonus” je povezan s nevodikovim reaktantima ili s reaktantima jedne vrste. Vrijednosti u stupcu “reaktivnost” su izračunate dijeljenjem vrijednosti 1,24·10-24 umnošcima drugog i trećeg stupca. One pokazuju faktor za koji se druge reakcije odvijaju sporije u odnosu na D-T reakcija pod usporedivim uvjetima. Stupac “Lawsonov kriterij” ponderira ove rezultate s Een i pokazuje koliko je teško postići upaljenje s tim reakcijama, relativno u odnosu na teškoću kod D-T reakcije. Zadnji stupac je označen kao “gustoća snage” i ponderira praktičnu reaktivnost s Efuz. On pokazuje koliko je puta manja fuzijska gustoća snage drugih reakcija u usporedbi s D-T reakcijom i može se smatrati mjerom ekonomskog potencijala.
Gubitci bremsstrahlunga
Ioni koji sudjeluju u fuziji u principu se nikada ne pojavljuju sami već su pomiješani s elektronima koji neutraliziraju električni naboj iona i time formiraju plazmu. Elektroni će uglavnom imati temperaturu usporedivu ili veću od temperature koju imaju ioni, pa će se sudarati s ionima i emitirati bremsstrahlung (zakočno zračenje). Sunce i zvijezde su neprozirne za bremsstrahlung, ali u principu svaki fuzijski reaktor na Zemlji će pri odgovarajućim valnim dužinama biti optički tanak. Bremsstrahlung je također teško reflektirati i pretvoriti direktno u elektricitet, tako da je odnos između proizvedene fuzijske energije i gubitaka zbog bremsstrahlunga važna brojčana vrijednost. Ovaj odnos se uopćeno maksimizira na mnogo višim temperaturama od onih koje maksimiziraju gustoću snage (prethodni odjeljak). Tablica koja slijedi ugrubo pokazuje optimalnu temperaturu i odnos snaga na toj temperaturama za nekoliko reakcija.
gorivo
Ti (keV)
Pfuzija/Pbremsstrahlung
D-T
50
140
D-D
500
2,9
D-3He
100
5,3
3He-3He
1000
0,72
p-6Li
800
0,21
p-11B
300
0,57
Stvarni odnos snaga fuzije i bremsstrahlunga će vjerojatno biti značajno manji zbog nekoliko razloga. Kao prvo, proračun pretpostavlja da je energija fuzijskih produkata potpuno prenijeta na ione goriva, koji onda gube energiju u sudarima s elektronima, a elektroni nadalje gube tu energiju zbog bremsstrahlunga. Međutim, kako se fuzijski produkti kreću znatno brže od iona goriva, oni će predati značajan dio svoje energije direktno elektronima. Drugo, za plazmu je predpostavljeno da se sastoji samo od iona goriva. U praksi, postojat će značajan udio iona nečistoća, što će smanjiti odnos. Posebno, sami fuzijski produkti moraju ostati u plazmi sve dok ne predaju svoju energiju i nakon toga će još neko vrijeme biti u njoj u bilo kojoj predloženom načinu zadržavanja. Na kraju, zanemareni su svi kanali gubitka energije osim bremsstrahlunga. Zadnja dva čimbenika su povezana. Na temelju teorije i eksperimenata, izgleda da je zadržavanje energije i čestica blisko povezano. U načinima zadržavanja koji dobro zadržavaju energiju, doći će do porasta fuzijskih produkata. Ako se fuzijski produkti efikasno izbacuju, također će biti loše i zadržavanje energije.
Temperature koje maksimiziraju snagu fuzije u odnosu na bremsstrahlung su u svakom slučaju više od temperature koja maksimizira gustoću snage i minimizira potrebnu vrijednost trostrukog fuzijskog umnoška. To neće puno promijeniti optimalnu radnu točku za D-T, jer je udio bremsstrahlunga mali, ali će potaknuti druga goriva u stanja gdje je gustoća snage u odnosu prema D-T čak i manja, te će biti još teže postići potrebno zadržavanje. Za D-D i D-3He, bremsstrahlung gubitci će biti ozbiljan, vjerojatno i sprječavajući problem. Za 3He-3He, p-6Li i p-11B čini se da gubitci bremsstrahlunga ukazuju na nemogućnost korištenja tih goriva u fuzijskom reaktoru.
Fuzijska reakcija deuterij-tricij (D-T) smatra se najboljom reakcijom za dobivanje energije fuzije
U fizici je nuklearna fuzija proces u kome se spaja više atomskih jezgri pri čemu nastaje teža atomska jezgra. To je praćeno oslobađanjem ili apsorpcijom energije što je ovisno o masi uključenih atomskih jezgri. Jezgre željeza i nikla imaju najveću energiju veze po nukleonu i zbog toga su one najstabilnije između svih drugih jezgri. Fuzija dvije jezgre lakših od jezgri željeza ili nikla najčešće oslobađa energiju, dok fuzija jezgri koje su teže od jezgri željeza ili nikla apsorbira energiju – obrnuto je kod reverznog procesa nuklearne fisije.
Pregled
Nuklearna fuzija lakih elemenata oslobađa energiju koja uzrokuje sjaj zvijezda i eksploziju vodikove bombe. Nuklearna fuzija težih elemenata (uz apsorpciju energije) javlja se pri ekstremnim uvjetima visoke energije ili kod eksplozije supernove. Nuklearna fuzija kod zvijezda i supernovih je glavni proces kojim se stvaraju novi prirodni elementi. Ova reakcija se koristi kod dobivanja energije nuklearne fuzije.
Potrebna je znatna energija da bi se izazvala nuklearna fuzija, čak i kod najlakšeg elementa vodika. Međutim, fuzijom lakših jezgri kojom nastaje teža jezgra i slobodni neutron, obično se oslobađa više energije nego što je potrebno da bi se jezgre spojile. To je egzotermni proces kojim mogu nastati samoodržive reakcije.
Energija oslobođena u većini nuklearnih reakcija je mnogo veća od energije kemijskih reakcija, zato što je energija veze koja veže skupa nukleone u jezgri znatno veća od energije koja veže elektrone oko jezgre atoma. Na primjer, ionizacijska energija dobivena dodavanjem elektrona jezgri atoma vodika je 13,6 eV, manje od milijuntog dijela 17 MeV energije koja se oslobađa u prikazanoj reakciji D-T (deuterij-tricij).
Glavne faze ciklusa nuklearne fuzije u zvijezdama razradio je znanstvenik Hans Bethe.
Uvjeti za fuziju
Da bi došlo do fuzije potrebno je savladati znatnu energetsku barijeru. Na velikim udaljenostima dvije potpuno ionizirane atomske jezgre odbijaju jedna drugu zbog odbojnih elektrostatičkih sila koje postoje između njihovih pozitivno nabijenih protona. Kada se dvije jezgre približe na udaljenost potrebnu za pojavu fuzije elektrostatička barijera će biti savladana zbog jakih nuklearnih sila koje su na maloj udaljenosti jače od elektrostatičkih odbojnih sila.
Kada se nukleoni kao što je proton ili neutron dodaju jezgri, jaka sila privlači ih prema drugim nukleonima u tom jezgru, ali prvenstveno ih privlači prema najbližim susjednim nukleonima zbog kratkog dometa te sile. Nukleoni u nutrini jezgre imaju više susjednih nukleona nego oni nukleoni koji se nalaze na površini jezgre. Pošto manja jezgra ima veći odnos oplošja prema obujmu, energija veze po nukleonu zbog jake sile obično se povećava sa veličinom atomske jezgre, ali se približava graničnoj vrijednosti koja odgovara onoj vrijednosti koju ima potpuno okružen nukleon.
Elektrostatička sila, s druge strane, je sila koja opada s kvadratom udaljenosti, tako da na proton koji se dodaje atomskoj jezgri djeluje elektrostatičko odbijanje od svih drugih protona u jezgri. Elektrostatička energija po nukleonu povećava se zbog elektrostatičke sile, bez ograničenja s povećavanjem jezgre.
Ukupni rezultat ovih suprotnih sila je taj da se energija veze po nukleonu povećava s povećanjem veličine atomske jezgre, sve do elemenata željeza i nikla, a zatim se za teže atomske jezgre smanjuje. Na posljetku, energija veze postaje negativna i zbog toga su vrlo teške jezgre nestabilne. Četiri najčvršće vezane jezgre, padajućim redom u odnosu na energiju veze su: 62Ni, 58Fe, 56Fe, i 60Ni. Iako je izotop nikla 62Ni stabilniji, izotop željeza 56Fe je zastupljeniji. To je zbog veće brzine raspadanja 62Ni u unutrašnjosti zvijezda uzrokovanog apsorpcijom fotona.
Istaknuti izuzetak od ovog pravila je jezgra helija-4, čija je energija veze veća od energije veze litija, sljedećeg težeg elementa. Objašnjenje za takvo posebno ponašanje nam daje Paulijev princip isključivanja – kako su protoni i neutroni fermioni, oni ne mogu postojati u točno jednakom stanju. Svako stanje energije protona ili neutrona u jezgri može imati po jednu česticu gornjeg i donjeg spina. Helij-4 ima anomalno veliku energiju veze jer se njegova jezgra sastoji od dva protona i dva neutrona, tako da sva četiri nukleona mogu biti u osnovnom stanju. Bilo koji dodatni nukleoni moraju zauzimati stanje više energije.
Situacija je slična ako se približe dvije atomske jezgre. Dok se jedna jezgra približava drugoj, svi protoni jedne jezgre odbijaju sve protone u drugoj. Jaka nuklearna sila može prevladati ovo odbijanje tek kada se dvije jezgre međusobno dotaknu. Prema tome, čak i kada je krajnje energetsko stanje niže, i dalje postoji velika energetska barijera koja se mora prevladati. U kemiji je slična pojava poznata kao aktivacijska energija. U nuklearnoj fizici ona se zove Coulombova barijera.
Coulombova barijera je najmanja za izotope vodika – oni imaju samo jedan pozitivni naboj u jezgri. Jezgra u kome bi se nalazila samo dva protona ne bi bila stabilna, tako da moraju sudjelovati i neutroni, u idealnom slučaju je jedan od produkata vrlo čvrsto vezana jezgra helija.
Koristeći deuterij-tricijsko gorivo, energetska barijera je oko 0,1 MeV. U usporedbi, energija koja je potrebna za uklanjanje elektrona iz atoma vodika je 13,6 eV, što je oko 7500 puta manje. Prijelazni rezultat fuzije deuterija i tricija je nestabilna jezgra 5He, koja odmah izbacuje neutron uz energiju od 14,1 MeV. Energija uzmaka preostale jezgre 4He je 3,5 MeV, tako da je ukupno oslobođena energija 17,6 MeV. Ovo je višestruko veća energija od one koja je potrebna da bi se savladala energetska barijera.
Ako energija kojom se započinje reakcija dolazi od ubrzavanja jedne jezgre, proces se zove fuzija “snop-meta” (beam-target), ako su obje jezgre ubrzane to je onda fuzija “snop-snop” (beam-beam). Ako su jezgre dijelovi plazme koja je blizu termalnog ekvilibrija (ravnoteže), onda se radi o termonuklearnoj fuziji. Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije čestica, pa zagrijavanjem jezgre dobivaju energiju i mogu je dobiti dovoljno za savladavanje barijere od 0,1 MeV. Može se izračunati da je za tu vrijednost energije potrebna temperatura veća od 160 GK (gigakelvina), što je očito vrlo visoka vrijednost.
Postoje dva učinka koji smanjuju ukupnu potrebnu temperaturu. Jedan je činjenica da je temperatura prosječna kinetička energija, što znači da će pojedine jezgre na toj temperaturi stvarno imati mnogo veću energiju od 0,1 MeV, dok će ostale imati mnogo manju energiju. Upravo će jezgre koje se nalaze na visokoenergetskom repu funkcije raspodjele brzine sudjelovati u većini fuzijskih reakcija. Drugi učinak je kvantno tuneliranje. Jezgre ne moraju stvarno imati dovoljno energije da potpuno savladaju Coulombovu barijeru. Ako imaju skoro dovoljno energije, one mogu proći kroz preostalu barijeru. Zbog ovih će razloga gorivo i na nižoj temperaturi sudjelovati u fuzijskim procesima, ali u manjoj mjeri.
Brzina fuzijskih reakcija deuterij-tricij povećava se brzo sa temperaturom dok ne dostigne svoj maksimum na oko 70 keV (800 milijuna Kelvina), a onda postupno pada
Reakcijski presjek σ je mjera vjerojatnosti fuzijske reakcije kao funkcije relativne brzine između dvije jezgre u reakciji. Ako postoji raspodjela brzina, npr. kod termonuklearne fuzije raspodjela je termalna, tada je korisno izvesti prosjek raspodjele umnoška presjeka i brzine. Brzina reakcije (broj fuzija po obujmu u vremenu) je <σv> puta umnožak brojčane gustoće reaktanata:
Ako u reakciji sudjeluje samo jedna vrsta jezgri, kao što je to kod D-D reakcija, onda se umnožak mora zamijeniti s . se povećava praktički od nule pri sobnoj temperaturi do značajnih veličina pri temperaturama od 10 do 100 keV. Na ovim temperaturama, daleko iznad tipičnih ionizacijskih energija (13,6 eV u slučaju vodika), fuzija reaktanata postoji u stanju plazme.
Ovisnost <σv> o temperaturi u uređaju s određenim vremenom zadržavanja energije izvodi se uzimajući u obzir Lawsonov kriterij.
Metode zadržavanja goriva
Fuzijska reakcija može održavati samu sebe ako se dovoljna količina proizvedene energije upotrebljava za održavanje goriva na visokoj temperaturi.
Gravitacijsko zadržavanje
Jedna od sila koja može zadržati gorivo dovoljno dobro da zadovolji Lawsonov kriterij je gravitacija. Međutim, potrebna masa je toliko velika da je gravitacijsko zadržavanje otkriveno samo kod zvijezda. Čak i uz korištenje goriva veće reaktivnosti, kao što je deuterij, bila bi potrebna masa veličine Mjeseca.
Magnetsko zadržavanje
Budući da su plazme vrlo dobri električni vodiči, magnetska polja mogu također zadržavati fuzijsko gorivo. Može se koristiti čitav niz magnetskih konfiguracija, najosnovnija razlika postoji između zrcalnog zadržavanja i toroidnog zadržavanja, posebno između Tokamaka i Stelaratora.
Inercijsko zadržavanje
Treći način zadržavanja je primjena naglog impulsa energije na veliki dio površine kuglice fuzijskog goriva, uzrokujući istovremenu imploziju i razvijanje topline do vrlo visokog tlaka i temperature. Ako je gorivo dovoljne gustoće i dovoljno ugrijano, brzina fuzijske reakcije će biti dovoljno visoka za izgaranje značajnog dijela goriva prije nego što dođe do rasipanja. Da bi se postigli ovi ekstremni uvjeti, početno hladno gorivo se mora eksplozivno stlačiti. Inercijsko zadržavanje se koristi kod vodikove bombe, gdje kao pobuđivač služe x-zrake stvorene pomoću fisijske bombe. Inercijskim zadržavanjem se također pokušalo ostvariti kontroliranu nuklearnu fuziju, gdje kao pobuđivač služi laserska, ionska ili elektronska zraka, te tzv. Z-pinch.
Ispituju se i drugi principi zadržavanja, kao što su muon-katalizirana fuzija, Farnsworth-Hirschov fuzor (inercijsko elektrostatičko zadržavanje) i mjehurasta fuzija.
Načini proizvodnje fuzije
Poznato je mnoštvo načina kojima se utječe na nuklearnu fuziju. Neki su “hladni” u strogom značenju jer nijedan dio materijala (osim produkata reakcije) nije na visokoj temperaturi, neki su “hladni” u ograničenom značenju jer je većina materijala osim reaktanata na niskoj temperaturi i tlaku, a neke su “vrući” jer se njima stvaraju makroskopska područja vrlo visoke temperature i tlaka.
Lokalno hladna fuzija:
Muon-katalizirana fuzija je dobro ustanovljen i ponovljiv fuzijski proces koji se dešava na uobičajenim temperaturama. Detaljno je proučavana od strane Stevena E. Jonesa tijekom ranih 1980-ih godina. Nije objavljeno da je proizvedena energija veća od utrošene. Vjeruje se da proizvodnja neto energije nije moguća zbog količine energije potrebne za stvaranje muona, njihovog poluvremena raspada od 2,2 µs i zbog vjerojatnosti da se muon veže s novom alfa česticom i zbog toga prestane katalizirati fuziju.
nuklearne reakcije niske energije su sporno područje istraživanja u cilju proizvodnje nuklearne fuzije.
Općenito hladna, a lokalno vruća fuzija:
U sonoluminescenciji, akustički udarni valovi stvaraju privremene mjehuriće koji se urušavaju kratko nakon stvaranja, proizvodeći vrlo visoke temperature i tlakove. Tijekom 2002. godine, Rusi P. Taleyarkhan objavio je mogućnost pojavljivanja mjehuraste fuzije u privremenim mjehurićima (“sono fuzija”). Pokusi (zaključno sa 2005.) koji bi trebali utvrditi pojavu fuzije su dali proturječne rezultate. Ako dolazi do fuzije to je zato što su lokalna temperatura i tlak dovoljno visoki za nastanak vruće fuzije.
Farnsworth-Hirschov fuzor je uređaj u kome se odvija fuzija, a veličinom takav da se može postaviti na stol. Fuzija se odvija zbog visokih efektivnih temperatura koje se postižu elektrostatičkim ubrzavanjem iona. Uređaj se može jeftino napraviti, ali ne može postići pozitivan ukupni rezultat snage.
Antimaterijom inicirana fuzija koristi malu količinu antimaterije da bi započela malu fuzijsku eksploziju. Ovo je proučavano naročito u kontekstu izrade moguće nuklearnog pulsnog pogona.
To nije ni blizu praktičnog izvora energije, zbog visoke cijene proizvodnje same antimaterije.
Piroelektrična fuzija obajvljane je u travnju 2005. godine od strane tima s UCLA. Znanstvenici su koristili piroelektrične kristale zagrijane od -34 do 7 °C, kombinirane s iglama od volframa, kako bi proizveli električno polje od oko 25 gigavolti po metru za ioniziranje i ubrzavanje jezgri deuterija prema meti od erbijevog deuterida. Iako energija iona deuterija stvorenih pomoću kristala nije bila direktno izmjerena, znanstvenici su je u svom modelu procijenili na 100 keV (temperatura oko 109 K). Pri tim razinama energija dvije se jezgre deuterija mogu spojiti kako bi stvorile jezgru helija-3, neutron energije 2,45 MeV i tzv. bremsstrahlung (zakočno zračenje).
Iako je to koristan generator neutrona, uređaj nije predviđen za dobivanje energije jer troši mnogo više energije nego što je proizvodi.
Vruća fuzija:
“Standardna” “vruća” fuzija, u kojoj gorivo dostiže ogromne temperature i tlakove unutar fuzijskog reaktora i nuklearnog oružja.
Načini u drugoj grupi su primjeri neuravnoteženih sustava, u kojima se vrlo visoke temperature i tlakovi stvaraju u relativno malim područjima koji graniče s materijalom mnogo niže temperature. Todd Rider je u svom doktoratu teorijski proučio sve neuravnotežene fuzijske sustave. On je predočio da će svi takvi sustavi gubiti energiju velikom brzinom zbog bremsstrahlunga, zračenja koja nastaje kada elektroni u plazmi udare u druge elektrone ili ione koji su na nižoj temperaturi i zbog toga iznenada usporavaju. Problem nije izrazit u vrućoj plazmi zbog toga što su raspon temperatura, a time i vrijednost usporavanja znatno manji.
Značajne fuzijske reakcije
Niz proton-proton dominira u zvijezdama veličine Sunca ili manjim
Ciklus CNO dominira u zvijezdama koje su teže od našeg Sunca
Astrofizički reakcijski nizovi
Najznačajniji fuzijski proces u prirodi je onaj koji pokreće zvijezde. Krajnji rezultat je fuzija četiri protona u jednu alfa česticu, s oslobađanjem dva pozitrona, dva neutrina i energije, međutim, ovisno o masi zvijezde, sudjeluje nekoliko pojedinačnih reakcija. Za zvijezde veličine Sunca ili manje, dominira niz proton-proton. Kod težih zvijezda, bitniji je ciklus CNO. Oba tipa procesa su odgovorna za stvaranje novih elemenata kao dio nukleosinteze zvijezda.
Na temperaturama i gustoćama u jezgrama zvijezda brzine fuzijskih reakcija su i dalje ekstremno spore. Na primjer, pri temperaturi (T ~ 15 MK) i gustoći (~120 g/cm3) u jezgri Sunca odnos stvaranje energije prema obujmu je samo ~0.1 mikrovat/cm3, što je milijun puta manje od obične svijeće i tisuću puta manje od odnosa pri stvaranja topline u ljudskom tijelu. Zbog toga je reprodukcija uvjeta iz zvjezdane jezgre u laboratoriju kako bi se dobila energija nuklearne fuzije potpuno nepraktična.
Kriteriji i kandidati za fuzijske reakcije na Zemlji
Kod fuzije koju stvara čovjek, primarno gorivo nije ograničeno na protone i mogu se koristiti više temperature, tako da se biraju reakcije s velikim presjekom. To podrazumijeva niži Lawsonov kriterij, i zbog toga manji početni napor. Drugi problem je nastanak neutrona, koji radiološki aktiviraju strukturu reaktora, ali imaju prednost zbog toga što omogućavaju volumetrijsku ekstrakciju energije fuzije i stvaranje (“oplodnju”) tricija. Reakcije pri kojima se ne oslobađaju neutroni zovu se aneutronske reakcije.
Da bi bile korisne kao izvor energije, fuzijske reakcije moraju zadovoljiti nekoliko kriterija. To su:
egzotermičnost – Ovo je možda očito, ali to ograničava reaktante na one koji se na krivulji energije vezanja nalaze na strani malih Z brojeva (broj protona). To čini helij-4 najuobičajenijim produktom zbog svog izrazito jakog vezanja nukleona u jezgri, iako se također pojavljuju i helij-3 te tricij,
sudjelovanje jezgri s malim Z brojem – To je zbog toga što se mora prevladati elektrostatičko odbijanje prije nego što se atomske jezgre približe dovoljno blizu kako bi se spojile,
postojanje dva reaktanta – Pri bilo kojoj gustoći koja je manja od gustoće zvijezda, sudari tri tijela su vrlo malo vjerojatni. Treba uočiti da su kod unutarnjeg zadržavanja i gustoća i temperatura mnogo veće nego kod zvijezda kako bi se kompenzirala mala vrijednost trećeg parametra Lawsonovog kriterija, vrlo kratko vrijeme zadržavanja,
postojanje dva ili više produkata – Ovo omogućava očuvanje i energije i količine gibanja bez ovisnosti o (slaboj!) elektromagnetskoj sili,
očuvanje i protona i neutrona – Presjeci slabe nuklearne sile su premali.
Za reakcije s dva produkta, energija je između njih podijeljena u obrnutim razmjerima u odnosu na njihove mase, kao što je prikazano. U većini reakcija s tri produkta, raspodjela energije varira. Za reakcije koje mogu dati više od jednog skupa produkata dati su razmjeri grananja.
Neki kandidati za reakcije se mogu odmah eliminirati. D-6Li reakcija nema prednost u usporedbi sa p-11B jer ju je otprilike jednako teško održavati, ali proizvodi znatno više neutrona preko sporedne D-D reakcije. Tu je i p-7Li reakcija, ali je njen presjek previše mali, osim vjerojatno uz Ti > 1 MeV, ali pri tako visokim temperaturama također postaje značajna endotermička reakcija koja direktno stvara neutrone. Konačno, tu je i p-9Be reakcija, koja ne samo da se teško održava, već se 9Be može lako navesti na dijeljenje u dvije alfa čestice i neutron.
Uz fuzijske reakcije, sljedeće reakcije s neutronima su značajne zbog “oplođivanja” tricija u “suhim” fuzijskim bombama i nekim predloženim fuzijskim reaktorima:
n + 6Li → T + 4He
n + 7Li → T + 4He + n
Da bi se procijenila upotrebljivost ovih reakcija, u odnosu na reaktante, produkte i oslobođenu energiju, treba znati nešto i o presjeku. Za bilo koji fuzijski uređaj postoji maksimalni tlak plazme koji uređaj može izdržati, a štedljivi će uređaj uvijek raditi blizu tog maksimuma. Uz taj će se tlak najveći rezultat fuzije postići kada je temperatura izabrana tako da je <σv>/T² maksimalno. To je također i temperatura pri kojoj je vrijednost trostrukog umnoška nTT potrebnog za paljenje minimalna. Ova optimalna temperatura i vrijednost koju pri toj temperaturi ima <σv>/T² je za nekoliko takvih reakcija prikazana u slijedećoj tablici.
gorivo
T (keV)
<σv>/T² (m³/s/keV²)
D-T
13,6
1,24·10-24
D-D
15
1,28·10-26
D-3He
58
2,24·10-26
p-6Li
66
1,46·10-27
p-11B
123
3,01·10-27
Treba napomenuti da mnoge reakcije stvaraju nizove. Na primjer, reaktor koji kao gorivo koristi T i 3He stvorit će određenu količinu D, koji je onda moguće koristiti u reakciji D + 3He Ako su energije “ispravne”. Elegantna ideja je kombinirati reakcija (8) i (9). 3He iz reakcije (8) može reagirati sa 6Li u reakciji (9) prije potpune termalizacije. Time se stvara proton visoke energije koji tada prolazi kroz reakciju (8) prije termalizacije. Detaljna analiza pokazuje da ova ideja u stvarnosti neće dobro funkcionirati, ali je dobar primjer slučaja gdje uobičajena pretpostavka plazme s Maxwell-Boltzmanovom raspodjelom nije odgovarajuća.
Neutronost, uvjeti zadržavanja i gustoća snage
Jedina fuzijska reakcija ostvarena do sada je eksplozija termonuklearne bombe, od kojih je prva ovdje prikazana Ivy Mike
Bilo koja od gore navedenih reakcija može biti osnova proizvodnje fuzijske energije. U dodatku temperaturi i presjeku o kome se već govorilo, mora se razmotriti totalna energija fuzijskih produkata. Efuz, energija električki nabijenih fuzijskih produkata Een i atomski broj Z reaktanata koji nisu vodikovi izotopi.
Specificiranje reakcije D-D ipak povlači za sobom određene teškoće. Za početak, mora se naći prosjek ogranaka (2) i (3). Teže je odlučiti kako tretirati produkte T i 3He. T u deuterijskoj plazmi tako dobro izgara da ga je iz plazme skoro nemoguće izdvojiti. Reakcija D-3He je optimalna na mnogo višim temperaturama, tako da izgaranje pri optimalnoj D-D temperaturi može biti slabo, pa izgleda razumno pretpostaviti da će T, a ne 3He, izgarati i time ukupnoj reakciji dodavati energiju. Prema tome fuzijsku energiju reakcije D-D izračunavamo kao Efuz = (4,03 + 17,6 + 3,27)/2 = 12,5 MeV, a energiju nabijenih čestica kao Een = (4,03 + 3,5 + 0,82)/2 = 4,2 MeV.
Još jedan poseban vid D-D reakcija je taj što postoji samo jedan reaktant, što se kod izračunavanja brzine reakcije mora uzeti u obzir.
S ovim izborom, u tablici su prikazani parametri za četiri najvažnije reakcije.
gorivo
Z
Efuz (MeV)
Een (MeV)
neutronost
D-T
1
17,6
3,5
0,80
D-D
1
12,5
4,2
0,66
D-3He
2
18,3
18,3
~0,05
p-11B
5
8,7
8,7
~0,001
Zadnji stupac pokazuje neutronost reakcije, odnosno dio fuzijske energije oslobođen u obliku neutrona. To je važan pokazatelj veličine problema povezanih s neutronima kao što su radijacijsko oštećivanje, biološki štit, daljinskog upravljanja i sigurnost. Za prve dvije reakcije izračunava se kao (Efuz – Een)/Efuz. Za zadnje dvije reakcije, gdje bi ovaj proračun dao nulu, navedene vrijednosti su grube procijene na temelju sporednih reakcija koje proizvode neutrone u plazmo koja je u termalnoj ravnoteži.
Naravno, reaktanti bi trebali biti pomiješani u optimalnim omjerima. To je slučaj kada svaki ion reaktanta i njegovi pridruženi elektroni doprinose svaki po polovicu tlaka. Pretpostavljajući da je ukupni tlak stalna vrijednost, to znači da je gustoća nevodikovih iona manja od gustoće vodikovih iona za vrijednost 2/(Z + 1). Dakle brzina tih rekcija je smanjena za istu vrijednost, pored razlike u vrijednosti za <σv>/T². S druge strane, kako D-D reakcija ima samo jedan reaktant, brzina je dva puta veća nego kada bi gorivo bilo raspodijeljeno na dvije vrste vodika.
Tako postoji “kazna” od (2/(Z + 1)) za nevodikova goriva koja proizilazi iz činjenice da im je potrebno više elektrona, koji doprinose tlaku bez učešća u reakciji fuzije. U isto vrijeme postoji i “bonus” iznosa 2 za D-D reakciju, zbog činjenice da svaki ion može reagirati sa svakim drugim ionom, a ne samo sa dijelom njih.
Sada možemo usporediti ove reakcije u slijedećoj tablici.
gorivo
<σv>/T²
kazna/bonus
reaktivnost
Lawsonov kriterij
gustoća snage
D-T
1,24·10-24
1
1
1
1
D-D
1,28·10-26
2
48
30
68
D-3He
2,24·10-26
2/3
83
16
80
p-11B
3,01·10-27
1/3
1240
500
2500
Maksimalna vrijednost <σv>/T² je uzeta iz prethodne tablice. Faktor “kazna/bonus” je povezan s nevodikovim reaktantima ili s reaktantima jedne vrste. Vrijednosti u stupcu “reaktivnost” su izračunate dijeljenjem vrijednosti 1,24·10-24 umnošcima drugog i trećeg stupca. One pokazuju faktor za koji se druge reakcije odvijaju sporije u odnosu na D-T reakcija pod usporedivim uvjetima. Stupac “Lawsonov kriterij” ponderira ove rezultate s Een i pokazuje koliko je teško postići upaljenje s tim reakcijama, relativno u odnosu na teškoću kod D-T reakcije. Zadnji stupac je označen kao “gustoća snage” i ponderira praktičnu reaktivnost s Efuz. On pokazuje koliko je puta manja fuzijska gustoća snage drugih reakcija u usporedbi s D-T reakcijom i može se smatrati mjerom ekonomskog potencijala.
Gubitci bremsstrahlunga
Ioni koji sudjeluju u fuziji u principu se nikada ne pojavljuju sami već su pomiješani s elektronima koji neutraliziraju električni naboj iona i time formiraju plazmu. Elektroni će uglavnom imati temperaturu usporedivu ili veću od temperature koju imaju ioni, pa će se sudarati s ionima i emitirati bremsstrahlung (zakočno zračenje). Sunce i zvijezde su neprozirne za bremsstrahlung, ali u principu svaki fuzijski reaktor na Zemlji će pri odgovarajućim valnim dužinama biti optički tanak. Bremsstrahlung je također teško reflektirati i pretvoriti direktno u elektricitet, tako da je odnos između proizvedene fuzijske energije i gubitaka zbog bremsstrahlunga važna brojčana vrijednost. Ovaj odnos se uopćeno maksimizira na mnogo višim temperaturama od onih koje maksimiziraju gustoću snage (prethodni odjeljak). Tablica koja slijedi ugrubo pokazuje optimalnu temperaturu i odnos snaga na toj temperaturama za nekoliko reakcija.
gorivo
Ti (keV)
Pfuzija/Pbremsstrahlung
D-T
50
140
D-D
500
2,9
D-3He
100
5,3
3He-3He
1000
0,72
p-6Li
800
0,21
p-11B
300
0,57
Stvarni odnos snaga fuzije i bremsstrahlunga će vjerojatno biti značajno manji zbog nekoliko razloga. Kao prvo, proračun pretpostavlja da je energija fuzijskih produkata potpuno prenijeta na ione goriva, koji onda gube energiju u sudarima s elektronima, a elektroni nadalje gube tu energiju zbog bremsstrahlunga. Međutim, kako se fuzijski produkti kreću znatno brže od iona goriva, oni će predati značajan dio svoje energije direktno elektronima. Drugo, za plazmu je predpostavljeno da se sastoji samo od iona goriva. U praksi, postojat će značajan udio iona nečistoća, što će smanjiti odnos. Posebno, sami fuzijski produkti moraju ostati u plazmi sve dok ne predaju svoju energiju i nakon toga će još neko vrijeme biti u njoj u bilo kojoj predloženom načinu zadržavanja. Na kraju, zanemareni su svi kanali gubitka energije osim bremsstrahlunga. Zadnja dva čimbenika su povezana. Na temelju teorije i eksperimenata, izgleda da je zadržavanje energije i čestica blisko povezano. U načinima zadržavanja koji dobro zadržavaju energiju, doći će do porasta fuzijskih produkata. Ako se fuzijski produkti efikasno izbacuju, također će biti loše i zadržavanje energije.
Temperature koje maksimiziraju snagu fuzije u odnosu na bremsstrahlung su u svakom slučaju više od temperature koja maksimizira gustoću snage i minimizira potrebnu vrijednost trostrukog fuzijskog umnoška. To neće puno promijeniti optimalnu radnu točku za D-T, jer je udio bremsstrahlunga mali, ali će potaknuti druga goriva u stanja gdje je gustoća snage u odnosu prema D-T čak i manja, te će biti još teže postići potrebno zadržavanje. Za D-D i D-3He, bremsstrahlung gubitci će biti ozbiljan, vjerojatno i sprječavajući problem. Za 3He-3He, p-6Li i p-11B čini se da gubitci bremsstrahlunga ukazuju na nemogućnost korištenja tih goriva u fuzijskom reaktoru.
