Fizika

A nyári nap melegében sütkérezve egy diák a tartós termonukleáris energia elérésében elért legújabb áttörésről olvas, és homályosan emlékszik, hogy hallott a hidegfúziós vitáról. A három dolog összefügg. A Nap energiáját magfúzióval állítják elő (lásd az 1. ábrát). Termonukleáris energiának nevezik a szabályozott magfúzió energiaforrásként való felhasználását. Bár a termonukleáris energiával kapcsolatos kutatások haladnak előre, a magas hőmérséklet és az elszigetelési nehézségek továbbra is fennállnak. A hidegfúziós vita középpontjában a szobahőmérsékleten történő gyakorlati fúziós energiára vonatkozó megalapozatlan állítások állnak.

1. ábra. A Nap energiáját magfúzióval állítják elő. (hitel: Spiralz)

A magfúzió olyan reakció, amelyben két atommag egyesül, vagyis fuzionál, és egy nagyobb atommagot alkot. Tudjuk, hogy minden atommagnak kisebb a tömege, mint az őket alkotó protonok és neutronok tömegének összege. A hiányzó tömeg szorozva c2-vel egyenlő az atommag kötési energiájával – minél nagyobb a kötési energia, annál nagyobb a hiányzó tömeg. Azt is tudjuk, hogy a BE/A, az egy nukleonra jutó kötési energia a közepes tömegű atommagok esetében nagyobb, és a Fe (vas) esetében maximális. Ez azt jelenti, hogy ha két kis tömegű atommagot össze lehet fuzionálni, hogy egy nagyobb atommagot alkossanak, akkor energia szabadul fel. A nagyobb magnak nagyobb a kötési energiája és kisebb az egy nukleonra jutó tömege, mint a két egyesült magnak. Így a fúziós reakcióban tömeg semmisül meg, és energia szabadul fel (lásd a 2. ábrát). A kis tömegű atommagok fúziója átlagosan energiát szabadít fel, de a részletek a ténylegesen érintett nuklidoktól függnek.

2. ábra. Könnyű atommagok fúziója közepes tömegű atommagok keletkezése esetén tömegpusztulás következik be, mivel a BE/A nagyobb a termék atommagok esetében. Minél nagyobb a BE/A, annál kevesebb tömeg jut egy nukleonra, így a tömeg energiává alakul és felszabadul ezekben a fúziós reakciókban.

A fúzió legfőbb akadálya az atommagok közötti Coulomb-taszítás. Mivel az atommagok összeolvasztására képes vonzó nukleáris erő rövid hatótávolságú, a hasonló pozitív töltések taszítását kell legyőzni ahhoz, hogy az atommagok elég közel kerüljenek egymáshoz a fúzió kiváltásához. A 3. ábra a két atommag közötti potenciális energia közelítő grafikonját mutatja a középpontok közötti távolság függvényében. A grafikon egy dombhoz hasonlít, amelynek középpontjában egy kút van. Egy jobbról gurított golyónak elegendő mozgási energiával kell rendelkeznie ahhoz, hogy átjusson a buckán, mielőtt nettó energiamennyiség-gyarapodással a mélyebb kútba esik. Így van ez a fúzióval is. Ha az atommagok elegendő mozgási energiát kapnak ahhoz, hogy legyőzzék a taszításból eredő elektromos potenciális energiát, akkor egyesülhetnek, energiát szabadíthatnak fel, és egy mély kútba eshetnek. Ennek egyik módja, hogy a fúziós üzemanyagot magas hőmérsékletre kell hevíteni, hogy a termikus mozgás kinetikus energiája elegendő legyen ahhoz, hogy az atommagok összeérjenek.

3. ábra. Két könnyű atommag közötti potenciális energia a köztük lévő távolság függvényében ábrázolva. Ha az atommagok elég mozgási energiával rendelkeznek ahhoz, hogy túllépjenek a Coulomb-taszító púpon, akkor egyesülnek, energiát szabadítanak fel, és mély vonzó kútba esnek. A gyakorlatban fontos a gáton való átalagozás. Minél nagyobb a mozgási energia és minél magasabbra jutnak a részecskék a gáton (vagy minél alacsonyabb a gát), annál valószínűbb az alagútépítés.

Azt gondolhatnánk, hogy Napunk magjában az atommagok érintkeznek és fuzionálnak. Valójában azonban 108 K nagyságrendű hőmérsékletre van szükség ahhoz, hogy az atommagok valóban érintkezzenek, ami meghaladja a Nap maghőmérsékletét. A kvantummechanikai alagútépítés teszi lehetővé a fúziót a Napban, és az alagútépítés a fúzió legtöbb más gyakorlati alkalmazásában is fontos folyamat. Mivel az alagutazás valószínűsége rendkívül érzékeny a gát magasságára és szélességére, a hőmérséklet növelése jelentősen növeli a fúzió sebességét. Minél közelebb kerülnek egymáshoz a reaktánsok, annál valószínűbb a fúzió (lásd a 4. ábrát). Így a Napban és más csillagokban a legtöbb fúzió a középpontjukban zajlik, ahol a legmagasabb a hőmérséklet. Ráadásul magas hőmérsékletre van szükség ahhoz, hogy a termonukleáris energia praktikus energiaforrás legyen.

4. ábra. (a) Két egymás felé tartó atommag lelassul, majd megáll, majd elrepül anélkül, hogy összeérne vagy összeolvadna. (b) Nagyobb energiáknál a két atommag elég közel kerül egymáshoz ahhoz, hogy az alagutazás révén fúzióra kerüljön. Az alagutazás valószínűsége a közeledéssel nő, de nem kell összeérniük ahhoz, hogy a reakció bekövetkezzen.

A Nap energiát termel protonok vagy hidrogénmagok 1H (a Nap messze leggyakoribb nuklidja) héliummagokká 4He fúziójával. A fúziós reakciók fő sorozata az úgynevezett proton-proton-ciklust alkotja:

1H + 1H → 2H + e++ ve (0,42 MeV)

1H + 2H → 3He + γ (5,49 MeV)

3He + 3He → 4He + 1H + 1H + 1H (12,86 MeV)

ahol az e+ a pozitron, a ve pedig az elektron neutrínó. (A zárójelben lévő energia a reakció során felszabadul.) Megjegyezzük, hogy az első két reakciónak kétszer kell lejátszódnia ahhoz, hogy a harmadik lehetséges legyen, így a ciklus hat protont (1H) fogyaszt el, de kettőt ad vissza. Továbbá a keletkező két pozitron két elektronra talál, és annihilálódva további négy γ-sugarat képez, így összesen hatot. A ciklus összhatása tehát

2e- + 41H → 4He + 2ve + 6γ (26,7 MeV)

ahol a 26,7 MeV tartalmazza a pozitronok és elektronok annihilációs energiáját, és az összes reakciótermék között oszlik el. A Nap belseje sűrű, és a reakciók a Nap mélyén játszódnak le, ahol a legmagasabb a hőmérséklet. Körülbelül 32 000 évbe telik, amíg az energia a felszínre diffundál és kisugárzik. A neutrínók azonban kevesebb mint két másodperc alatt távoznak a Napból, energiájukat magukkal víve, mivel olyan gyenge kölcsönhatásban vannak, hogy a Nap átlátszó számukra. A negatív visszacsatolás a Napban termosztátként szabályozza a teljes energiatermelést. Ha például a Nap belseje a normálisnál melegebbé válik, a reakciósebesség megnő, és olyan energiát termel, amely kitágítja a belsejét. Ez lehűti azt, és csökkenti a reakciósebességet. Ezzel szemben, ha a belső tér túlságosan lehűl, összehúzódik, növelve a hőmérsékletet és a reakciósebességet (lásd az 5. ábrát). A Naphoz hasonló csillagok több milliárd évig stabilak, amíg hidrogénjük jelentős része el nem fogy. Hogy mi történik ezután, azt a Bevezetés a fizika határaiba .

5. ábra. A Napban a magfúzió során a hidrogénmagok héliummá alakulnak át; a fúzió elsősorban a héliummag határán történik, ahol a legmagasabb a hőmérséklet és elegendő hidrogén marad. A felszabaduló energia lassan diffundál a felszínre, kivéve a neutrínókat, amelyek azonnal távoznak. Az energiatermelés a negatív visszacsatolási hatások miatt stabil marad.

A proton-proton ciklus (és más energiatermelő ciklusok a csillagokban) elméleteit a német származású, amerikai fizikus, Hans Bethe (1906-2005) dolgozta ki 1938-tól kezdve. E munkájáért 1967-ben fizikai Nobel-díjat kapott, és számos más módon is hozzájárult a fizikához és a társadalomhoz. Az ezekben a ciklusokban keletkező neutrínók olyan könnyen elszöknek, hogy kiváló eszközt biztosítanak számunkra ezen elméletek tesztelésére és a csillagok belsejének tanulmányozására. Már több mint négy évtizede építenek és működtetnek detektorokat a napneutrínók mérésére (lásd a 6. ábrát). Bár a napneutrinókat detektálták, és az 1987A szupernóvából származó neutrínókat is megfigyelték (7. ábra), túl kevés napneutrínót figyeltek meg ahhoz, hogy ez összhangban legyen a napenergia-termelésre vonatkozó előrejelzésekkel. Sok év után ezt a napneutrínó-problémát az elmélet és a kísérlet keverékével oldották meg, amely kimutatta, hogy a neutrínónak valóban van tömege. Azt is megállapították, hogy háromféle neutrínó létezik, amelyek mindegyike más-más típusú magbomláshoz kapcsolódik.

6. ábra. Ez a fotomultiplier-csövekből álló tömb az illinois-i Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium nagy napneutrínó-detektorának része. Ezekben a kísérletekben a neutrínók nehéz vízzel lépnek kölcsönhatásba, és fényvillanásokat keltenek, amelyeket a fotomultiplier-csövek érzékelnek. Mérete és a becsapódó neutrínók hatalmas fluxusa ellenére naponta nagyon kevés neutrínót észlelnek, mivel ezek a neutrínók olyan gyengén kölcsönhatásba lépnek. Ez természetesen ugyanaz az oka annak, hogy a Napból is olyan könnyen elmenekülnek. (hitel: Fred Ullrich)

7. ábra. A szupernóvák a vasnál nehezebb elemek forrása. A felszabaduló energia hajtja a nukleoszintézist. A déli féltekén megfigyelhető 1987A szupernóva által kidobott anyaggyűrű spektroszkópiai elemzése nehéz elemekre utaló jeleket mutat. E szupernóva vizsgálata arra is utaló jeleket szolgáltatott, hogy a neutrínóknak tömegük lehet. (hitel: NASA, ESA és P. Challis)

A proton-proton ciklus a Földön a hidrogén (1H) nagy bősége ellenére sem jelent gyakorlati energiaforrást. Az 1H + 1H → 2H + e+ + ve reakciónak nagyon kicsi a valószínűsége. (Ez az oka annak, hogy Napunk körülbelül tízmilliárd évig fog fennmaradni.) Számos más fúziós reakciót azonban könnyebb előidézni. Ezek közé tartoznak:

2H + 2H → 3H + 1H (4,03 MeV)

2H + 2H → 3He + n (3,27 MeV)

2H + 3H → 4He + n (17.59 MeV)

2H + 2H → 4He + γ (23,85 MeV).

A deutérium (2H) a természetes hidrogénnek kb. 0,015%-a, tehát csak a tengervízben óriási mennyiség van belőle. A deutérium üzemanyag bősége mellett ezek a fúziós reakciók nagy energiákat termelnek reakciónként (zárójelben), de nem termelnek sok radioaktív hulladékot. A trícium (3H) radioaktív, de üzemanyagként elhasználódik (2H + 3H → 4He + n reakció), és a neutronok és γ-k leárnyékolhatók. A keletkező neutronok további energia és üzemanyag előállítására is felhasználhatók az olyan reakciókban, mint

n + 1H → 2H + γ (20,68 MeV)

és

n + 1H → 2H + γ (2.22 MeV).

Megjegyezzük, hogy ez utóbbi két reakció, valamint a 2H + 2H → 4He + γ, a kibocsátott energia nagy részét a γ sugárba helyezi, és ezt az energiát nehéz hasznosítani.

A gyakorlati fúziós energiatermelés három kulcsa a reakciók valószínűsítéséhez szükséges hőmérséklet elérése, az üzemanyag sűrűségének növelése, és elég hosszú ideig való bezárása a nagy mennyiségű energia előállításához. Ez a három tényező – a hőmérséklet, a sűrűség és az idő – kiegészíti egymást, és így az egyik hiányosságát a többivel lehet kompenzálni. A gyújtás akkor következik be, amikor a reakciók elegendő energiát termelnek ahhoz, hogy a külső energiabevitel leállítása után önfenntartóak legyenek. Ezt a célt, amelyet el kell érni ahhoz, hogy a kereskedelmi célú erőművek valósággá váljanak, még nem sikerült elérni. Egy másik mérföldkő, az úgynevezett nullszaldó, akkor következik be, amikor a termelt fúziós energia megegyezik a fűtési energiabevitellel. A nullszaldót már majdnem elértük, és ez reményt ad arra, hogy a gyújtás és a kereskedelmi erőművek néhány évtizeden belül valósággá válhatnak.

Két technika ígéretesnek bizonyult. Az elsőt mágneses bezárásnak nevezik, és azt a tulajdonságot használja ki, hogy a töltött részecskék nehezen keresztezik a mágneses mezővonalakat. A 8. ábrán látható tokamak különösen ígéretesnek bizonyult. A tokamak toroidális tekercse a töltött részecskéket körkörös pályára zárja, amely a keringő ionok miatt spirális csavarodást mutat. 1995-ben az amerikai Princetonban található Tokamak fúziós tesztreaktorban világrekordot jelentő, 500 millió Celsius-fokos plazmahőmérsékletet értek el. Ez a berendezés 1982 és 1997 között működött. Franciaországban közös nemzetközi erőfeszítés folyik egy tokamak-típusú reaktor megépítésére, amely a kereskedelmi célú áramtermeléshez vezető ugródeszka lesz. Az ITER, ahogyan az ITER-t nevezik, egy teljes méretű berendezés lesz, amelynek célja a fúziós energia megvalósíthatóságának demonstrálása. Hosszabb időn keresztül 500 MW energiát fog termelni, és eléri a nullszaldós állapotot. Olyan körülmények között fogja vizsgálni a plazmákat, amelyek hasonlóak a fúziós erőműben várható körülményekhez. A tervek szerint 2018-ra készül el.

8. ábra. (a) A Dél-Franciaországban épülő tokamak típusú fúziós reaktor, az ITER művészi ábrázolása. A remények szerint ez a gigantikus gép eléri a nullpontot. A tervek szerint 2018-ra készül el. (credit: Stephan Mosel, Flickr)

A második ígéretes technika több lézert irányít a deutérium és trícium keverékével töltött apró üzemanyaggranulátumokra. A hatalmas teljesítménybevitel felhevíti az üzemanyagot, elpárologtatja a bezáró pelletet, és a keletkező táguló forró plazmával nagy sűrűségűre zúzza az üzemanyagot. Ezt a technikát inerciális bezárásnak nevezik, mivel az üzemanyag tehetetlensége miatt nem tud kiszabadulni, mielőtt jelentős fúzióra kerülne sor. Nagyobb sűrűségeket értek el, mint a tokamakokkal, de kisebb bezárási idővel. 2009-ben a Lawrence Livermore Laboratóriumban (CA) elkészült egy lézerfúziós berendezés, amelyben 192 ultraibolya lézersugarat fókuszáltak egy D-T pelletre (lásd a 9. ábrát).

9. ábra. Nemzeti gyújtóberendezés (CA). Ezen a képen egy lézerhangár látható, ahol 192 lézersugár fókuszálódik egy kis D-T céltárgyra, fúziót előidézve. (hitel: Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC és az Energiaügyi Minisztérium)

Szakasz összefoglalása

• A magfúzió olyan reakció, amelyben két atommag egy nagyobb atommagot alkotva egyesül. Akkor szabadul fel energia, amikor könnyű atommagok fúziója közepes tömegű atommagokká alakul.
• A fúzió a csillagokban az energia forrása, a proton-proton körforgással,

  1H + 1H → 2H + e+ + ve (0.42 MeV)
  1H + 2H → 3He + γ (5,49 MeV)
  3He + 3He → 4He + 1H + 1H (12,86 MeV)

  a Napunkban lejátszódó energiatermelő reakciók fő sorozata.

• A proton-proton ciklus összhatása

  2e- + 41H → 4He + 2ve + 6γ (26,7 MeV),

  ahol a 26,7 MeV tartalmazza a kibocsátott és annihilált pozitronok energiáját.

• A Földön a szabályozott fúzió energiaforrásként való hasznosítására tett kísérletek a deutériumhoz és a tríciumhoz kapcsolódnak, és a reakciók fontos szerepet játszanak.
• Az égés az a feltétel, amely mellett a szabályozott fúzió önfenntartó; ezt még nem sikerült elérni. A nullpontot, amikor a fúziós energiakibocsátás akkora, mint a külső energiabevitel, már majdnem sikerült elérni.
• A mágneses bezártság és az inerciális bezártság az a két módszer, amelyet jelenleg fejlesztenek az üzemanyag kellően magas hőmérsékletre, megfelelő sűrűségűre és kellően hosszú időre történő hevítésére, hogy a gyújtást elérjék. Az első módszer mágneses tereket használ, a második módszer pedig a becsapódó lézersugarak lendületét használja a bezáráshoz.