Nuklearna fuzija je proces spajanja lakih atomskih jezgri u te?e (sve do ?eljeza ⁵⁶ Fe), pri kojem se zbog gubitka mase ( defekta mase ) oslobađa golema koli?ina energije . G. Gamow izveo je 1928. jednad?bu kvantno-mehani?kog tuneliranja , na temelju koje je zaklju?io da visoke temperature mogu stvoriti uvjete u kojima ?e se nadvladati elektrostati?ko odbijanje ( Coulombova barijera ) između protona i time omogu?iti fuzijske reakcije. Desetlje?e poslije, H. A. Bethe razradio je fuzijske procese na kojima se temelji energija Sunca i ostalih zvijezda . Osnovni je proces vodikovo gorenje , spajanje ?etiriju vodikovih jezgri u jezgru helija , pri ?emu je klju?na uloga temeljne slabe sile i emisije neutrina . U tom se procesu, na ra?un razlike između masa ?etiriju vodikovih atoma i jednoga helijeva atoma, oslobađa 28 M eV energije. U ranim 1950-ima ameri?ka je vojna industrija proizvela hidrogensku bombu izazivanjem fuzijske reakcije u mje?avini deuterija i tricija (vodikovih izotopa ), pri ?emu potrebnu visoku temperaturu stvara fisijska reakcija atomske bombe . Potkraj 1952. termonuklearna bomba na atolu Enewetak u Tihom oceanu uni?tila je cijeli otok , stvoriv?i rupu duboku 60  metara , promjera 1,5  kilometar .

U novije doba traju poku?aji ostvarivanja kontrolirane nuklearne fuzije, ?ime bi se dobio alternativni izvor energije ( obnovljiva energija ) koji bi trajno rije?io energijsku glad ?ovje?anstva. Naime, fuzijski reaktori koji se temelje na deuteriju (iz oceana) i triciju (koji se dobiva u samom reaktoru), neusporedivo su ekolo?ki ?istiji od fisijskih (bez one?i??enja i s malo radioaktivnosti). Ipak, jo? nesvladane pote?ko?e u dvama pristupima (magnetskoga zato?enja plazme ili laserske fuzije) odgađaju komercijalnu primjenu takvih reaktora (na primjer tokamak ). ^[1]

Atomske jezgre ?eljeza i nikla imaju najve?u energiju veze po nukleonu i zbog toga su one najstabilnije između svih drugih jezgri. Fuzija dvije jezgre lak?ih od jezgri ?eljeza ili nikla naj?e??e oslobađa energiju, dok fuzija jezgri koje su te?e od jezgri ?eljeza ili nikla apsorbira energiju - obrnuto je kod reverznog procesa nuklearne fisije .

Pregled [ uredi | uredi kod ]

Nuklearna fuzija lakih elemenata oslobađa energiju koja uzrokuje sjaj zvijezda i eksploziju vodikove bombe . Nuklearna fuzija te?ih 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, ?ak i kod najlak?eg elementa vodika . Međutim, fuzijom lak?ih jezgri kojom nastaje te?a jezgra i slobodni neutron , obi?no se oslobađa vi?e energije nego ?to je potrebno da bi se jezgre spojile. To je egzotermni proces kojim mogu nastati samoodr?ive reakcije.

Energija oslobođena u ve?ini nuklearnih reakcija je mnogo ve?a od energije kemijskih reakcija , zato ?to je energija veze koja ve?e skupa nukleone u jezgri znatno ve?a od energije koja ve?e 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 H. A. Bethe .

Uvjeti za fuziju [ uredi | uredi kod ]

Da bi do?lo do fuzije potrebno je savladati znatnu energetsku barijeru. Na velikim udaljenostima dvije potpuno ionizirane atomske jezgre odbijaju jedna drugu zbog odbojnih elektrostati?kih sila koje postoje između njihovih pozitivno nabijenih protona . Kada se dvije jezgre pribli?e na udaljenost potrebnu za pojavu fuzije elektrostati?ka barijera ?e biti savladana zbog jakih nuklearnih sila koje su na maloj udaljenosti ja?e od elektrostati?kih odbojnih sila.

Kada se nukleoni kao ?to je proton ili neutron dodaju jezgri, jaka sila privla?i ih prema drugim nukleonima u tom jezgru, ali prvenstveno ih privla?i prema najbli?im susjednim nukleonima zbog kratkog dometa te sile. Nukleoni u nutrini jezgre imaju vi?e susjednih nukleona nego oni nukleoni koji se nalaze na povr?ini jezgre. Po?to manja jezgra ima ve?i odnos oplo?ja prema obujmu, energija veze po nukleonu zbog jake sile obi?no se pove?ava s veli?inom atomske jezgre, ali se pribli?ava grani?noj vrijednosti koja odgovara onoj vrijednosti koju ima potpuno okru?en nukleon.

Elektrostati?ka sila, s druge strane, je sila koja opada s kvadratom udaljenosti, tako da na proton koji se dodaje atomskoj jezgri djeluje elektrostati?ko odbijanje od svih drugih protona u jezgri. Elektrostati?ka energija po nukleonu pove?ava se zbog elektrostati?ke sile, bez ograni?enja s pove?avanjem jezgre.

Ukupni rezultat ovih suprotnih sila je taj da se energija veze po nukleonu pove?ava s pove?anjem veli?ine atomske jezgre, sve do elemenata ?eljeza i nikla , a zatim se za te?e atomske jezgre smanjuje. Na posljetku, energija veze postaje negativna i zbog toga su vrlo te?ke jezgre nestabilne. ?etiri naj?vr??e vezane jezgre, padaju?im redom u odnosu na energiju veze su: ⁶² Ni, ⁵⁸ Fe, ⁵⁶ Fe, i ⁶⁰ Ni. Iako je izotop nikla ⁶² Ni stabilniji, izotop ?eljeza ⁵⁶ Fe je zastupljeniji. To je zbog ve?e brzine raspadanja ⁶² Ni u unutra?njosti zvijezda uzrokovanog apsorpcijom fotona.

Istaknuti izuzetak od ovog pravila je jezgra helija -4, ?ija je energija veze ve?a od energije veze litija , sljede?eg te?eg elementa. Obja?njenje za takvo posebno pona?anje nam daje Paulijev princip isklju?enja - kako su protoni i neutroni fermioni , oni ne mogu postojati u to?no jednakom stanju. Svako stanje energije protona ili neutrona u jezgri mo?e imati po jednu ?esticu 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 ?etiri nukleona mogu biti u osnovnom stanju. Bilo koji dodatni nukleoni moraju zauzimati stanje vi?e energije.

Situacija je sli?na ako se pribli?e dvije atomske jezgre. Dok se jedna jezgra pribli?ava drugoj, svi protoni jedne jezgre odbijaju sve protone u drugoj. Jaka nuklearna sila mo?e prevladati ovo odbijanje tek kada se dvije jezgre međusobno dotaknu. Prema tome, ?ak i kada je krajnje energetsko stanje ni?e, i dalje postoji velika energetska barijera koja se mora prevladati. U kemiji je sli?na 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 slu?aju je jedan od produkata vrlo ?vrsto vezana jezgra helija.

Koriste?i 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, ?to je oko 7500 puta manje. Prijelazni rezultat fuzije deuterija i tricija je nestabilna jezgra ⁵ He, koja odmah izbacuje neutron uz energiju od 14,1 MeV. Energija uzmaka preostale jezgre ⁴ He je 3,5 MeV, tako da je ukupno oslobođena energija 17,6 MeV. Ovo je vi?estruko ve?a energija od one koja je potrebna da bi se savladala energetska barijera.

Ako energija kojom se zapo?inje 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 (ravnote?e), onda se radi o termonuklearnoj fuziji . Temperatura je mjera prosje?ne kineti?ke energije ?estica, pa zagrijavanjem jezgre dobivaju energiju i mogu je dobiti dovoljno za savladavanje barijere od 0,1 MeV. Mo?e se izra?unati da je za tu vrijednost energije potrebna temperatura ve?a od 160 GK (gigakelvina), ?to je o?ito vrlo visoka vrijednost.

Postoje dva u?inka koji smanjuju ukupnu potrebnu temperaturu. Jedan je ?injenica da je temperatura prosje?na kineti?ka energija, ?to zna?i da ?e pojedine jezgre na toj temperaturi stvarno imati mnogo ve?u energiju od 0,1 MeV, dok ?e ostale imati mnogo manju energiju. Upravo ?e jezgre koje se nalaze na visokoenergetskom repu funkcije raspodjele brzine sudjelovati u ve?ini fuzijskih reakcija. Drugi u?inak je kvantno tuneliranje . Jezgre ne moraju stvarno imati dovoljno energije da potpuno savladaju Coulombovu barijeru. Ako imaju skoro dovoljno energije, one mogu pro?i kroz preostalu barijeru. Zbog ovih ?e razloga gorivo i na ni?oj temperaturi sudjelovati u fuzijskim procesima, ali u manjoj mjeri.

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 umno?ka presjeka i brzine. Brzina reakcije (broj fuzija po obujmu u vremenu) je <σv> puta umno?ak broj?ane gusto?e reaktanata:

${\displaystyle f=n_{1}n_{2}\langle \sigma v\rangle }$

Ako u reakciji sudjeluje samo jedna vrsta jezgri, kao ?to je to kod D-D reakcija, onda se umno?ak ${\displaystyle n_{1}n_{2}}$ mora zamijeniti s ${\displaystyle (1/2)n^{2}}$. ${\displaystyle \langle \sigma v\rangle }$ se pove?ava prakti?ki od nule pri sobnoj temperaturi do zna?ajnih veli?ina pri temperaturama od 10 do 100 keV. Na ovim temperaturama, daleko iznad tipi?nih ionizacijskih energija (13,6 eV u slu?aju vodika), fuzija reaktanata postoji u stanju plazme .

Ovisnost <σv> o temperaturi u uređaju s određenim vremenom zadr?avanja energije izvodi se uzimaju?i u obzir Lawsonov kriterij .

Metode zadr?avanja goriva [ uredi | uredi kod ]

Fuzijska reakcija mo?e odr?avati samu sebe ako se dovoljna koli?ina proizvedene energije upotrebljava za odr?avanje goriva na visokoj temperaturi.

Gravitacijsko zadr?avanje [ uredi | uredi kod ]

Jedna od sila koja mo?e zadr?ati gorivo dovoljno dobro da zadovolji Lawsonov kriterij je gravitacija. Međutim, potrebna masa je toliko velika da je gravitacijsko zadr?avanje otkriveno samo kod zvijezda . ?ak i uz kori?tenje goriva ve?e reaktivnosti, kao ?to je deuterij, bila bi potrebna masa veli?ine Mjeseca .

Magnetsko zadr?avanje [ uredi | uredi kod ]

Budu?i da su plazme vrlo dobri elektri?ni vodi?i, magnetska polja mogu također zadr?avati fuzijsko gorivo. Mo?e se koristiti ?itav niz magnetskih konfiguracija, najosnovnija razlika postoji između zrcalnog zadr?avanja i toroidnog zadr?avanja , posebno između Tokamaka i Stelaratora .

Inercijsko zadr?avanje [ uredi | uredi kod ]

Tre?i na?in zadr?avanja je primjena naglog impulsa energije na veliki dio povr?ine kuglice fuzijskog goriva, uzrokuju?i istovremenu imploziju i razvijanje topline do vrlo visokog tlaka i temperature. Ako je gorivo dovoljne gusto?e i dovoljno ugrijano, brzina fuzijske reakcije ?e biti dovoljno visoka za izgaranje zna?ajnog dijela goriva prije nego ?to dođe do rasipanja. Da bi se postigli ovi ekstremni uvjeti, po?etno hladno gorivo se mora eksplozivno stla?iti. Inercijsko zadr?avanje se koristi kod vodikove bombe , gdje kao pobuđiva? slu?e x-zrake stvorene pomo?u fisijske bombe. Inercijskim zadr?avanjem se također poku?alo ostvariti kontroliranu nuklearnu fuziju, gdje kao pobuđiva? slu?i laserska , ionska ili elektronska zraka, te tzv. Z-pinch .

Ispituju se i drugi principi zadr?avanja, kao ?to su muon-katalizirana fuzija , Farnsworth-Hirschov fuzor ( inercijsko elektrostati?ko zadr?avanje ) i mjehurasta fuzija .

Na?ini proizvodnje fuzije [ uredi | uredi kod ]

Poznato je mno?tvo na?ina kojima se utje?e na nuklearnu fuziju. Neki su "hladni" u strogom zna?enju jer nijedan dio materijala (osim produkata reakcije) nije na visokoj temperaturi, neki su "hladni" u ograni?enom zna?enju jer je ve?ina materijala osim reaktanata na niskoj temperaturi i tlaku, a neke su "vru?i" jer se njima stvaraju makroskopska podru?ja vrlo visoke temperature i tlaka.

Lokalno hladna fuzija :

• Muon-katalizirana fuzija je dobro ustanovljen i ponovljiv fuzijski proces koji se de?ava na uobi?ajenim temperaturama. Detaljno je prou?avana od strane Stevena E. Jonesa tijekom ranih 1980-ih godina. Nije objavljeno da je proizvedena energija ve?a od utro?ene. Vjeruje se da proizvodnja neto energije nije mogu?a zbog koli?ine energije potrebne za stvaranje muona , njihovog poluvremena raspada od 2,2 μs i zbog vjerojatnosti da se muon ve?e s novom alfa ?esticom i zbog toga prestane katalizirati fuziju.
• nuklearne reakcije niske energije su sporno podru?je istra?ivanja u cilju proizvodnje nuklearne fuzije.

Op?enito hladna, a lokalno vru?a fuzija:

• U sonoluminescenciji , akusti?ki udarni valovi stvaraju privremene mjehuri?e koji se uru?avaju kratko nakon stvaranja, proizvode?i vrlo visoke temperature i tlakove. Tijekom 2002. godine, Rusi P. Taleyarkhan objavio je mogu?nost pojavljivanja mjehuraste fuzije u privremenim mjehuri?ima ("sono fuzija"). Pokusi (zaklju?no s 2005.) koji bi trebali utvrditi pojavu fuzije su dali proturje?ne rezultate. Ako dolazi do fuzije to je zato ?to su lokalna temperatura i tlak dovoljno visoki za nastanak vru?e fuzije.
• Farnsworth-Hirschov fuzor je uređaj u kome se odvija fuzija, a veli?inom takav da se mo?e postaviti na stol. Fuzija se odvija zbog visokih efektivnih temperatura koje se posti?u elektrostati?kim ubrzavanjem iona. Uređaj se mo?e jeftino napraviti, ali ne mo?e posti?i pozitivan ukupni rezultat snage.
• Antimaterijom inicirana fuzija koristi malu koli?inu antimaterije da bi zapo?ela malu fuzijsku eksploziju. Ovo je prou?avano naro?ito u kontekstu izrade mogu?e nuklearnog pulsnog pogona .

To nije ni blizu prakti?nog izvora energije, zbog visoke cijene proizvodnje same antimaterije.

• Piroelektri?na fuzija obajvljane je u travnju 2005. godine od strane tima s UCLA . Znanstvenici su koristili piroelektri?ne kristale zagrijane od -34 do 7 °C, kombinirane s iglama od volframa , kako bi proizveli elektri?no polje od oko 25 gigavolti po metru za ioniziranje i ubrzavanje jezgri deuterija prema meti od erbijevog deuterida. Iako energija iona deuterija stvorenih pomo?u kristala nije bila direktno izmjerena, znanstvenici su je u svom modelu procijenili na 100 keV (temperatura oko 10 ⁹ 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 ( zako?no zra?enje ).

Iako je to koristan generator neutrona, uređaj nije predviđen za dobivanje energije jer tro?i mnogo vi?e energije nego ?to je proizvodi.

Vru?a fuzija:

• "Standardna" "vru?a" fuzija, u kojoj gorivo dosti?e ogromne temperature i tlakove unutar fuzijskog reaktora i nuklearnog oru?ja .

Na?ini u drugoj grupi su primjeri neuravnote?enih sustava, u kojima se vrlo visoke temperature i tlakovi stvaraju u relativno malim podru?jima koji grani?e s materijalom mnogo ni?e temperature. Todd Rider je u svom doktoratu teorijski prou?io sve neuravnote?ene fuzijske sustave. On je predo?io da ?e svi takvi sustavi gubiti energiju velikom brzinom zbog bremsstrahlunga , zra?enja koja nastaje kada elektroni u plazmi udare u druge elektrone ili ione koji su na ni?oj temperaturi i zbog toga iznenada usporavaju. Problem nije izrazit u vru?oj plazmi zbog toga ?to su raspon temperatura, a time i vrijednost usporavanja znatno manji.

Zna?ajne fuzijske reakcije [ uredi | uredi kod ]

Astrofizi?ki reakcijski nizovi [ uredi | uredi kod ]

Najzna?ajniji fuzijski proces u prirodi je onaj koji pokre?e zvijezde. Krajnji rezultat je fuzija ?etiri protona u jednu alfa ?esticu , s oslobađanjem dva pozitrona , dva neutrina i energije, međutim, ovisno o masi zvijezde, sudjeluje nekoliko pojedina?nih reakcija. Za zvijezde veli?ine Sunca ili manje, dominira niz proton-proton . Kod te?ih zvijezda, bitniji je ciklus CNO . Oba tipa procesa su odgovorna za stvaranje novih elemenata kao dio nukleosinteze zvijezda .

Na temperaturama i gusto?ama u jezgrama zvijezda brzine fuzijskih reakcija su i dalje ekstremno spore. Na primjer, pri temperaturi ( T ~ 15 MK) i gusto?i (~120 g/cm ³ ) u jezgri Sunca odnos stvaranje energije prema obujmu je samo ~0.1 mikrovat/cm ³ , ?to je milijun puta manje od obi?ne svije?e i tisu?u 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 neprakti?na.

Kriteriji i kandidati za fuzijske reakcije na Zemlji [ uredi | uredi kod ]

Kod fuzije koju stvara ?ovjek, primarno gorivo nije ograni?eno na protone i mogu se koristiti vi?e temperature, tako da se biraju reakcije s velikim presjekom. To podrazumijeva ni?i Lawsonov kriterij , i zbog toga manji po?etni napor. Drugi problem je nastanak neutrona, koji radiolo?ki aktiviraju strukturu reaktora, ali imaju prednost zbog toga ?to omogu?avaju 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:

• egzotermi?nost - Ovo je mo?da o?ito, ali to ograni?ava reaktante na one koji se na krivulji energije vezanja nalaze na strani malih Z brojeva (broj protona). To ?ini helij-4 najuobi?ajenijim 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 ?to se mora prevladati elektrostati?ko odbijanje prije nego ?to se atomske jezgre pribli?e dovoljno blizu kako bi se spojile,
• postojanje dva reaktanta - Pri bilo kojoj gusto?i koja je manja od gusto?e zvijezda, sudari tri tijela su vrlo malo vjerojatni. Treba uo?iti da su kod unutarnjeg zadr?avanja i gusto?a i temperatura mnogo ve?e nego kod zvijezda kako bi se kompenzirala mala vrijednost tre?eg parametra Lawsonovog kriterija , vrlo kratko vrijeme zadr?avanja,
• postojanje dva ili vi?e produkata - Ovo omogu?ava o?uvanje i energije i koli?ine gibanja bez ovisnosti o (slaboj!) elektromagnetskoj sili,
• o?uvanje i protona i neutrona - Presjeci slabe nuklearne sile su premali.

Nema puno reakcija koje zadovoljavaju sve ove zahtjeve. Prikazane su one s najve?im presjecima:

(1)

D

+

T

→

4 He

(3,5 MeV)

+

n

(14,1 MeV)

(2i)

D

+

D

→

T

(1,01 MeV)

+

p

(3,02 MeV)

50%

(2ii)

→

3 He

(0,82 MeV)

+

n

(2,45 MeV)

50%

(3)

D

+

3 He

→

4 He

(3,6 MeV)

+

p

(14,7 MeV)

(4)

T

+

T

→

4 He

+

2

n

+ 11,3 MeV

(5)

3 He

+

3 He

→

4 He

+

2

p

+ 12,9 MeV

(6i)

3 He

+

T

→

4 He

+

p

+

n

+ 12,1 MeV

51%

(6ii)

→

4 He

(4,8 MeV)

+

D

(9,5 MeV)

43%

(6iii)

→

4 He

(0,5 MeV)

+

n

(1,9 MeV)

+

p

(11,9 MeV)

6%

(7)

D

+

6 Li

→

2

4 He

+ 22,4 MeV

(8)

p

+

6 Li

→

4 He

(1,7 MeV)

+

3 He

(2,3 MeV)

(9)

3 He

+

6 Li

→

2

4 He

+

p

+ 16,9 MeV

(10)

p

+

11 B

→

3

4 He

+ 8,7 MeV

p ( procij ), D ( deuterij ), i T ( tricij ) su kratice za tri glavna izotopa vodika.

Za reakcije s dva produkta, energija je između njih podijeljena u obrnutim razmjerima u odnosu na njihove mase, kao ?to je prikazano. U ve?ini reakcija s tri produkta, raspodjela energije varira. Za reakcije koje mogu dati vi?e od jednog skupa produkata dati su razmjeri grananja.

Neki kandidati za reakcije se mogu odmah eliminirati. D- ⁶ Li reakcija nema prednost u usporedbi sa p- ¹¹ B jer ju je otprilike jednako te?ko odr?avati, ali proizvodi znatno vi?e neutrona preko sporedne D-D reakcije. Tu je i p- ⁷ Li reakcija, ali je njen presjek previ?e mali, osim vjerojatno uz T _i > 1 MeV, ali pri tako visokim temperaturama također postaje zna?ajna endotermi?ka reakcija koja direktno stvara neutrone. Kona?no, tu je i p- ⁹ Be reakcija, koja ne samo da se te?ko odr?ava, ve? se ⁹ Be mo?e lako navesti na dijeljenje u dvije alfa ?estice i neutron.

Uz fuzijske reakcije, sljede?e reakcije s neutronima su zna?ajne zbog "oplođivanja" tricija u "suhim" fuzijskim bombama i nekim predlo?enim fuzijskim reaktorima:

n + ⁶ Li → T + ⁴ He

n + ⁷ Li → T + ⁴ He + n

Da bi se procijenila upotrebljivost ovih reakcija, u odnosu na reaktante, produkte i oslobođenu energiju, treba znati ne?to i o presjeku. Za bilo koji fuzijski uređaj postoji maksimalni tlak plazme koji uređaj mo?e izdr?ati, a ?tedljivi ?e uređaj uvijek raditi blizu tog maksimuma. Uz taj ?e se tlak najve?i rezultat fuzije posti?i kada je temperatura izabrana tako da je <σv>/T² maksimalno. To je također i temperatura pri kojoj je vrijednost trostrukog umno?ka nT _T potrebnog za paljenje minimalna. Ova optimalna temperatura i vrijednost koju pri toj temperaturi ima <σv>/T² je za nekoliko takvih reakcija prikazana u sljede?oj 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- 3 He	58	2,24·10 -26
p- 6 Li	66	1,46·10 -27
p- 11 B	123	3,01·10 -27

Treba napomenuti da mnoge reakcije stvaraju nizove. Na primjer, reaktor koji kao gorivo koristi T i ³ He stvorit ?e određenu koli?inu D, koji je onda mogu?e koristiti u reakciji D + ³ He Ako su energije "ispravne". Elegantna ideja je kombinirati reakcija (8) i (9). ³ He iz reakcije (8) mo?e reagirati sa ⁶ Li 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 ne?e dobro funkcionirati, ali je dobar primjer slu?aja gdje uobi?ajena pretpostavka plazme s Maxwell-Boltzmanovom raspodjelom nije odgovaraju?a.

Neutronost, uvjeti zadr?avanja i gusto?a snage [ uredi | uredi kod ]

Bilo koja od gore navedenih reakcija mo?e biti osnova proizvodnje fuzijske energije. U dodatku temperaturi i presjeku o kome se ve? govorilo, mora se razmotriti totalna energija fuzijskih produkata. E _fuz , energija elektri?ki nabijenih fuzijskih produkata E _en i atomski broj Z reaktanata koji nisu vodikovi izotopi.

Specificiranje reakcije D-D ipak povla?i za sobom određene te?ko?e. Za po?etak, mora se na?i prosjek ogranaka (2) i (3). Te?e je odlu?iti kako tretirati produkte T i ³ He. T u deuterijskoj plazmi tako dobro izgara da ga je iz plazme skoro nemogu?e izdvojiti. Reakcija D- ³ He je optimalna na mnogo vi?im temperaturama, tako da izgaranje pri optimalnoj D-D temperaturi mo?e biti slabo, pa izgleda razumno pretpostaviti da ?e T, a ne ³ He, izgarati i time ukupnoj reakciji dodavati energiju. Prema tome fuzijsku energiju reakcije D-D izra?unavamo kao E _fuz = (4,03 + 17,6 + 3,27)/2 = 12,5 MeV, a energiju nabijenih ?estica kao E _en = (4,03 + 3,5 + 0,82)/2 = 4,2 MeV.

Jo? jedan poseban vid D-D reakcija je taj ?to postoji samo jedan reaktant, ?to se kod izra?unavanja brzine reakcije mora uzeti u obzir.

S ovim izborom, u tablici su prikazani parametri za ?etiri najva?nije reakcije.

gorivo	Z	E fuz (MeV)	E en (MeV)	neutronost
D-T	1	17,6	3,5	0,80
D-D	1	12,5	4,2	0,66
D- 3 He	2	18,3	18,3	~0,05
p- 11 B	5	8,7	8,7	~0,001

Zadnji stupac pokazuje neutronost reakcije, odnosno dio fuzijske energije oslobođen u obliku neutrona. To je va?an pokazatelj veli?ine problema povezanih s neutronima kao ?to su radijacijsko o?te?ivanje, biolo?ki ?tit, daljinskog upravljanja i sigurnost. Za prve dvije reakcije izra?unava se kao ( E _fuz - E _en )/ E _fuz . Za zadnje dvije reakcije, gdje bi ovaj prora?un dao nulu, navedene vrijednosti su grube procijene na temelju sporednih reakcija koje proizvode neutrone u plazmo koja je u termalnoj ravnote?i.

Naravno, reaktanti bi trebali biti pomije?ani u optimalnim omjerima. To je slu?aj kada svaki ion reaktanta i njegovi pridru?eni elektroni doprinose svaki po polovicu tlaka. Pretpostavljaju?i da je ukupni tlak stalna vrijednost, to zna?i da je gusto?a nevodikovih iona manja od gusto?e 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 ve?a nego kada bi gorivo bilo raspodijeljeno na dvije vrste vodika.

Tako postoji "kazna" od (2/( Z + 1)) za nevodikova goriva koja proizilazi iz ?injenice da im je potrebno vi?e elektrona, koji doprinose tlaku bez u?e??a u reakciji fuzije. U isto vrijeme postoji i "bonus" iznosa 2 za D-D reakciju, zbog ?injenice da svaki ion mo?e reagirati sa svakim drugim ionom, a ne samo s dijelom njih.

Sada mo?emo usporediti ove reakcije u sljede?oj tablici.

gorivo	<σv>/T²	kazna/bonus	reaktivnost	Lawsonov kriterij	gusto?a snage
D-T	1,24·10 -24	1	1	1	1
D-D	1,28·10 -26	2	48	30	68
D- 3 He	2,24·10 -26	2/3	83	16	80
p- 11 B	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 izra?unate dijeljenjem vrijednosti 1,24·10 ^-24 umno?cima drugog i tre?eg 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 E _en i pokazuje koliko je te?ko posti?i upaljenje s tim reakcijama, relativno u odnosu na te?ko?u kod D-T reakcije. Zadnji stupac je ozna?en kao "gusto?a snage" i ponderira prakti?nu reaktivnost s E _fuz . On pokazuje koliko je puta manja fuzijska gusto?a snage drugih reakcija u usporedbi s D-T reakcijom i mo?e se smatrati mjerom ekonomskog potencijala.

Gubitci bremsstrahlunga [ uredi | uredi kod ]

Ioni koji sudjeluju u fuziji u principu se nikada ne pojavljuju sami ve? su pomije?ani s elektronima koji neutraliziraju elektri?ni naboj iona i time formiraju plazmu . Elektroni ?e uglavnom imati temperaturu usporedivu ili ve?u od temperature koju imaju ioni, pa ?e se sudarati s ionima i emitirati bremsstrahlung (zako?no zra?enje). Sunce i zvijezde su neprozirne za bremsstrahlung , ali u principu svaki fuzijski reaktor na Zemlji ?e pri odgovaraju?im valnim du?inama biti opti?ki tanak. Bremsstrahlung je također te?ko reflektirati i pretvoriti direktno u elektricitet, tako da je odnos između proizvedene fuzijske energije i gubitaka zbog bremsstrahlunga va?na broj?ana vrijednost. Ovaj odnos se uop?eno maksimizira na mnogo vi?im temperaturama od onih koje maksimiziraju gusto?u snage (prethodni odjeljak). Tablica koja slijedi ugrubo pokazuje optimalnu temperaturu i odnos snaga na toj temperaturama za nekoliko reakcija.

gorivo	T i (keV)	P fuzija / P bremsstrahlung
D-T	50	140
D-D	500	2,9
D- 3 He	100	5,3
3 He- 3 He	1000	0,72
p- 6 Li	800	0,21
p- 11 B	300	0,57

Stvarni odnos snaga fuzije i bremsstrahlunga ?e vjerojatno biti zna?ajno manji zbog nekoliko razloga. Kao prvo, prora?un 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 kre?u znatno br?e od iona goriva, oni ?e predati zna?ajan dio svoje energije direktno elektronima. Drugo, za plazmu je predpostavljeno da se sastoji samo od iona goriva. U praksi, postojat ?e zna?ajan udio iona ne?isto?a, ?to ?e smanjiti odnos. Posebno, sami fuzijski produkti moraju ostati u plazmi sve dok ne predaju svoju energiju i nakon toga ?e jo? neko vrijeme biti u njoj u bilo kojoj predlo?enom na?inu zadr?avanja. Na kraju, zanemareni su svi kanali gubitka energije osim bremsstrahlung a. Zadnja dva ?imbenika su povezana. Na temelju teorije i eksperimenata, izgleda da je zadr?avanje energije i ?estica blisko povezano. U na?inima zadr?avanja koji dobro zadr?avaju energiju, do?i ?e do porasta fuzijskih produkata. Ako se fuzijski produkti efikasno izbacuju, također ?e biti lo?e i zadr?avanje energije.

Temperature koje maksimiziraju snagu fuzije u odnosu na bremsstrahlung su u svakom slu?aju vi?e od temperature koja maksimizira gusto?u snage i minimizira potrebnu vrijednost trostrukog fuzijskog umno?ka . To ne?e puno promijeniti optimalnu radnu to?ku za D-T, jer je udio bremsstrahlung a mali, ali ?e potaknuti druga goriva u stanja gdje je gusto?a snage u odnosu prema D-T ?ak i manja, te ?e biti jo? te?e posti?i potrebno zadr?avanje. Za D-D i D- ³ He, bremsstrahlung gubitci ?e biti ozbiljan, vjerojatno i sprje?avaju?i problem. Za ³ He- ³ He, p- ⁶ Li i p- ¹¹ B ?ini se da gubitci bremsstrahlung a ukazuju na nemogu?nost kori?tenja tih goriva u fuzijskom reaktoru.

Izvori [ uredi | uredi kod ]

Vanjske poveznice [ uredi | uredi kod ]

• Nuclearfiles.org   Arhivirana ina?ica izvorne stranice od 28. rujna 2006. ( Wayback Machine ) ( engl. ) What is Nucelar Fusion
• NRL Plasma Formulary   Arhivirana ina?ica izvorne stranice od 26. listopada 2020. ( Wayback Machine ) ( engl. )
• Fusion of Energy ( engl. )