Ugrás a tartalomhoz

Magfúzió

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
 Ehhez a szócikkhez továbbiforrásmegjelölések,lábjegyzetek szükségesek azellenőrizhetőségérdekében.
Emiatt nem tudjuk közvetlenül ellenőrizni, hogy a szócikkben szereplő állítások helytállóak-e. Segítsa szócikk fejlesztésébentovábbimegbízható forrásokhozzáadásával.
Ez a szócikk a magfúzióról szól. Hasonló címmel lásd még:Fúzió (egyértelműsítő lap).
Az egy nukleonra jutó kötési energia. Kis tömegszámú atommagok fúziója során az egy nukleonra jutókötési energianövekszik, ezáltal energia szabadul fel
Adeutérium-trícium(D-T) reakció a legtöbbet ígérő energiatermelés szempontjából

Amagfúzióolyanmagreakció,amelynek során két kisebbatommagegyesül egy nagyobbat eredményezve. Ez a folyamat lehetexotermvagyendoterm,a kiinduló magokatomtömegeitőlfüggően. A kémiai elemek közül avasés anikkela legstabilabb, azaz ezek rendelkeznek a legnagyobb fajlagoskötési energiával.Ha a fúzióban részt vevő elemek könnyebbek a vasnál, akkor a folyamat energiafelszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni.

Ez a folyamat játszódik le acsillagokbanis és ahidrogénbombarobbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója - endoterm voltukból kifolyólag - különleges feltételeket követel, mint például aszupernóva-robbanás fizikai körülményei. Ahidrogén,ahéliumegy része (és alítiumkis része) kivételével a Földön található összes elemek csillagokban és szupernóva-robbanás során jöttek létre.

Felfedezése[szerkesztés]

A tudósok sokáig azt feltételezték, hogy aNapközönséges égésből nyeri az energiáját, és az ebből eredő fényt és hőt sugározza szét. A19. századbannéhány tudós (köztükLord Kelvin) vitatta ezt. Kelvin számításai szerintgravitációsösszehúzódásból is eredhetne a kisugárzott energia, azonban ez a folyamat néhány millió év alatt véget is érne.

Einstein1905-ös híres képlete, azE = mc²(energia = tömeg szorozva a fénysebesség négyzetével) szerint azonban már az anyag kicsiny mennyisége is óriási energiává alakítható át.

1939-benHans Bethenémet fizikus részletes matematikai levezetéssel leírta, hogyan lehetne a folyamatot a Földön is végrehajtani, ésfúziós reaktort létrehozni. Ehhez Bethe számításai szerint a hidrogénatomok hőmérsékletét 100 millió °C fölé kell emelni, és olyan kis térrészbe összenyomni, hogy a hidrogénatomok összeütközzenek, éshéliumjöjjön létre. A kivitelezés korlátja az, hogy nem létezik olyan anyag, ami ezt a magas hőmérsékletet kibírná.

1948-ban dr.Lyman Spitzerlétrehozta aPrincetoni Egyetemena Plazmafizikai Laboratóriumot.

Hamar rájött, hogy a fúziós reakciótmágneses térreltudja a kísérleti térben tartani. Egytoroidalakú csövet elektromos tekercsekkel vett körül, melyek mágneses teret hoztak létre abból a célból, hogy a hidrogéngáz ne érintkezzen a cső falával. Közbenlézerreladtak át energiát a hidrogénnek, amelynek hőmérséklete így több millió fokra emelkedhetett. Az elrendezéssel az volt a probléma, hogy a csövet körülvevő mágneses tekercsek a cső belső falánál sűrűbben voltak elhelyezve, mint a cső külső oldalán. Ez ahhoz vezetett, hogy a belső oldalon erősebb mágneses tér alakult ki, emiatt a hidrogénatomok a cső külső oldala felé vándoroltak, majd közelfénysebességgeltávoztak a berendezésből.

Erre a problémára is Spitzer fedezett fel egy megoldást. A csövet középen mintegy „megtekerve” egy 8-asra emlékeztető alakzatot hozott létre. A benne keringő hidrogén így az idő egy részében a cső belső fala mentén, az idő további részében a külső fal mentén halad, így nem alakulnak ki eltérések a mágneses térben, és a hidrogént is egyenletesebb tér veszi körül.

1951-re Spitzer befejezte az első hidrogénplazma-fúziós reaktor munkálatait, amitstellaratornak nevezett el (Sztellarátor,stellalatinul csillag). Első alkalommal csupán a másodperc törtrészéig működtette a berendezést, mert nem volt biztos abban, hogy nem fog-ehidrogénbombakéntfelrobbanni.

Egy fél másodpercre a hidrogéngázszupernóvakéntragyogott fel, és hőmérséklete elérte a 40 millió °C-ot. A 60 cm átmérőjű berendezés összesen 2 másodpercig működött, majd a folyamat leállt, a plazma kihűlt.

A kísérlet legfontosabb eredménye az, hogy megmutatta, a fúziós reakciót a Földön is elő lehet állítani.[1]

A magfúzió leírása[szerkesztés]

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

Ha átszámoljuk a 0,1 MeV-ot hőmérsékletre, akkor 109Kelvinfokot kapunk, ami nagyon magas hőmérséklet, figyelembe véve, hogy egyikfémsem bírja halmazállapot-változás nélkül a 3700 kelvinnél magasabb hőmérsékletet. E hőmérséklet eléréséhez segít két fizikai effektus:

  1. a Maxwell-féle sebességeloszlás szerint a sokkal alacsonyabb hőmérsékletű plazmában is vannak nagy, megfelelő energiájú atomok (csak kevés)
  2. azalagúteffektusmegengedi, hogy a kisebb energiájú atommagok is átjussanak a potenciálgáton

Ez a két effektus sem csökkenti azonban a kívánt hőmérsékletet elérhetőbb értékekre. Ezért a plazmát össze kell nyomni, hogy a hőmérséklete megnőjön. Ez három módon valósulhat meg:

  1. gravitációval – amikor a plazma a saját súlya alatt nyomódik össze. Ehhez azonban nagy mennyiségű plazmagáz kell, ami csak acsillagokbanfordul elő,
  2. mágneses erőkkel – aplazmábanszabad pozitív és negatívionoktalálhatók, és hatnak rájuk amágneses erők.Ezt használják fel atokamakés asztellarátorberendezésekben,
  3. inerciális hatással – ha hirtelen sok energiát közlünk a plazmával, példáullézersegítségével, ekkor a plazmának nem lesz ideje kitágulni, így a hőmérséklete fog emelkedni a kívánt értékre.

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

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

Ezek alapján a lehetséges reakciókat a következő táblázat foglalja össze:

(1) D + T → 4He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)
(2) D + D → T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50%
(3) → ³He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50%
(4) D + ³He → 4He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV)
(5) T + T → 4He + 2 n + 11,3 MeV
(6) ³He + ³He → 4He + 2 p + 12,9 MeV
(7) ³He + T → 4He + p + n + 12,1 MeV 51%
(8) → 4He (4,8 MeV) + D (9,5 MeV) 43%
(9) → 4He (0,5 MeV) + n (1,9 MeV) + p (11.9 MeV) 6%
(10) D + 6Li → 2 4He + 22,4 MeV
(11) p + 6Li → 4He (1,7 MeV) + ³He (2,3 MeV)
(12) ³He + 6Li → 2 4He + p + 16,9 MeV
(13) p + 11B → 3 4He + 8,7 MeV

A p (proton) a közönségeshidrogént,a D adeutériumot,a T pedig atríciumotjelöli.

Fontossága[szerkesztés]

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

  • az egész világon mindenhol igen hosszú ideig rendelkezésre áll az alacsony előállítási költségű alapanyag, ahidrogén,ezért gyakorlatilag végtelen energiaforrásnak tekinthető,
  • nem járul hozzásavas esőlétrejöttéhez,
  • nem növeli azüvegházhatású gázokmennyiségét,
  • nincs „megfutási” veszély, azaz atomrobbanás, ami egyes (nem energetikai célú)atomreaktorokesetén fennállhat,
  • a melléktermékek nem használhatók fel fegyvergyártáshoz,
  • a termékeivel minimáliskörnyezetszennyezésiproblémát okoz.

Kutatása[szerkesztés]

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

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés]

Jegyzetek[szerkesztés]

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

Források[szerkesztés]

Irodalom[szerkesztés]

  • Fowler, T:The Fusion Quest.New York: Johns Hopkins University Press, 1997
  • Heiman, Robin:Fusion: The Search for Endless Energy.London: Cambridge University Press, 1990
  • Peat, F:Cold Fusion.New York: Contemporary Books, 1999
  • Richardson, Hazel:How to Split the Atom.New York: Franklin Watts, 2001
A lap eredeti címe: „https://hu.wikipedia.org/w/index.php?title=Magfúzió&oldid=26455572”