Енергија нуклеарне фузије

Енергија нуклеарне фузије је енергија која се добија нуклеарном фузијом. Код нуклеарне фузије, два лагана атомска језгра се споје да створе једно теже језгро, и уз то се ослобађа велика количина енергије. Добијена енергија би требало да се користи за добијање топлоте, којом се може покретати парна турбина, која затим покреће генератор и ствара електричну енергију. Слично се користи и нуклеарна фисија у електранама које користе нуклеарну енергију.

Магнетно фузиони експеримент Заједничког европског торуса (ЈЕТ) из 1991.

Реакциона брзина нуклеарне фузије расте брзо са температуром све док не достигне максимум, а затим постепено пада. Деутеријум-трицијум фузија има максимум код ниже температуре (око 70 keV, или 800.000.000 милион K) и има већу вредност од осталих врста нуклеарне фузије

Облици енергије фузије

Основна идеја за стварање енергије фузије је да се доведу два или више језгара атома довољно близу, да може да делује јака нуклеарна сила, која може да створи ново веће језгро, и која је на малој удаљености јача од електростатичких одбојних сила. Ако се два лака језгра споје, ствара се једно ново језгро, која има углавном нешто мању масу него сума два почетна језгра. Разлика у маси се ослобађа као енергија према формули Алберта Ајнштајна, еквиваленцији масе и енергије E = mc². Код великих атома, језгро која се ствара ће имати већу масу од суме два улазна језгра, тако да је потребна велика спољашња енергија. Граница је гвожђе-56. Изнад те границе нуклеарна енергија се може добити нуклеарном фисијом, а испод те границе нуклеарном фузијом.

Фузија између два језгра је супротна по деловању елекростатичкој сили, и зато да би дошло до нуклеарне фузије, прво треба савладати Кулонову баријеру, а за то је потребан вањски извор енергије. Најједноставнији начин је да се атоми греју, након чега се електрони одвајају, и језгра остану слободна. У већини експеримената, језгра и електрони остају у облику плазме. Температура која је потребна да се створи плазма је зависна од количине електричног набоја, тако да водоник остаје без електрона на најнижој температури. Осим тога, хелијум је врло погодан за нуклеарну фузију.

Фузијска реакција може да одржава саму себе уколико се довољна количина произведене енергије користи за одржавање горива на високој температури. Пошто су плазме врло добри електрични проводници, магнетна поља могу такође да задржавају фузијско гориво. Зависност броја фузија у јединици времена и по јединици запремине <σв> зависи од температуре у уређају. Са одређеним временом задржавања енергије, она се изводи узимајући у обзир Лосонов критеријум. Лосонов критеријум је важна мера система која дефинише услове који су потребни за фузију, да достигне паљење, када је грејање плазме због фузије довољно да одржава температуру плазме, с обзиром на губитке грејања, без довођења вањске енергије.

Нуклеарна фузија D-Т (деутеријум – трицијум)

Приказ нуклеарне фузије D-Т

Према Лосоновом критеријуму, фузија D-Т је најлакша и најобећавајућа за добијање енергије нуклеарне фузије:

²H + ³H → ⁴He + ¹n

Деутеријум (водоник-2) је изотоп водоника који је врло заступљен на Земљи. Трицијум (водоник-3) је изотоп водоника који се у природи појављује у само незнатним количинама, зато што је његово радиоактивно време полураспада 12,32 године. Због тога, потребан је додатни „узгој” трицијума, који се може добити од литијума:

¹n + ⁶Li → ³H + ⁴He

¹n + ⁷Li → ³H + ⁴He + ¹n

Неутрон који реагује са литијумом се може добити из фузије D-T. Реакција са ⁶Li је егзотермна, са малом количином ослобођене енергије. Реакција са ⁷Li је ендотермна, али не конзумир неутрон. Већина реактора користи мешавину литијумових изотопа. Недостатак је што је доступност литијума огранићена због повећане производње литијумових батерија.

Неколико недостатака је значајно за нуклеарну фузију D-T:

• Добија се значајна количина неутрона, која резултира са индукованој радиоактивности (када стабилан материјал постаје радиоактиван због изложености радијацији) унутар структуре реактора.
• Кориштење фузије D-T зависи од количине литијума у природи, који је занатно пуно мање доступан од деутеријума
• Трицијум је врло тешко држати у спремнику; увек се може десити да одређена количина побегне у природу. Претпоставке су да би то могло да преставља прилично озбиљан проблем радиоактивног загађења околине
• Проток неутрона у D-T реактору је око 100 пута већи него код постојећих реактора на нуклеарну фисију, што преставља проблем за материјале реактора. Конструкција погодног материјала је још у току и очекују се резултати са пројекта ИТЕР (енгл. International Thermonuclear Experimental Reactor).

Нуклеарна фузија D-D (деутеријум – деутеријум)

Ова нуклеарна фузија има два облика, од којих сваки има скоро једнаку вероватноћу:

²H + ²H → ³H + ¹H

²H + ²H → ³He + n

Оптимална температуре је 15 keV, само нешто више него код D-Т фузије. Први облик не ствара неутроне, али ствара трицијум, тако да није потребно додатно стварање трицијума или увођење литијума. Већина трицијума ће изгорити пре него што напусти реактор, што смањује проблем са његовим руковањем, али исто значи да се ствара више неутрона, од којих су неки високо енергетски. Неутрони другог облика имају енергију од само 2,45 MeV, док неутрони из D-T фузије имају енергију од 14,1 MeV, која резултира у већем ступњу стварања изотопа и уништења материјала. Недостатак овог процеса у односу на D-Т фузију је да енергија самоодржавања плазме (код истог притиска) мора бити 30 пута боља, и добијена енергија (код истог притиска и запремине) је 68 пута мања.

Нуклеарна фузија D-³He (деутеријум – хелијум-3)

Новији приступ контролисаног добијања енергије фузије укључује комбинацију хелијум-3(3He) и деутеријума (2H). Та реакција ствара хелијум-4 језгро (4He) и високо енергетски протон. Ова реакција се зове анеутронска фузија, будући да добијени неутрони не носе више од 1% ослобођене енергије. Већина добијене енергије се ослобађа преко наелектрисаних честица, смањујући радијацију кућиста реактора. У пракси, од анеутронских фузија, фузија p-¹¹B је ипак повољнија.

Нуклеарна фузија p-¹¹B (протон – бор-11)

Када би анеутронска фузија била циљ, онда највише обећава фузија водоника-1(протон) и бора:

¹H + ¹¹B → 3 ⁴He

Ова фузија би резултирала са само 0,1% добијене енергије коју би носили неутрони. Оптимална температура би била код 123 keV, што је око 10 пута више него код чисто водикове фузије, додатна енергија самоодржавања требало би да буде 500 пута већа и добијена енергија би била око 2500 пута мања од D-T фузије.

Историја истраживања

Прва идеја кориштења енергије нуклеарне фузије је била за добијање нуклеарног оружја, у облику хидрогенске бомбе, где се прво користи енергија нуклеарне фисије за загревање и стварање притиска на гориво, чиме започиње нуклеарна фузија, која ослобађа велику количину неутрона. Хидрогенска бомба је ослобађала око 500 пута више енергије него прве атомске бомбе на нуклеарну фисију.

Први покушаји да се добије енергија из нуклеарне фузије су започели 1946. у Великој Британији, где су Џорџ Паџет Томсон и Мозес Блекман први пут објаснили појам стезања (енгл. pinch), сабијања електричног поља са магнетном силом. Направљени су ZETA и Sceptre уредаји на том принципу. Слични експерименти су почели у САД и Совјетском Савезу. На Универзитету Принстон су направили стеларатор, а у Калифорнији су започели с идејом „магнетског огледала”.

Осим тих првих покушаја, два су нова приступа обележила развој добијања енергије из нуклеарне фузије. Први је био токамак, који се развио у Совјетском Савезу и који је комбиновао стеларатор и пинч, и већина нових истраживања се базира на том приступу. У касним 1960-тим, у САД се развила идеја „механичке” фузије с кориштењем ласера. На крају, након више од 50 година истраживања, још ни један уређај није направљен који би на комерционалној бази производио енергију за тржисте.

Види још

• ИТЕР - међународни пројекат на пољу нуклеарне фузије, који гради највећи светски експериментални токамак.

Литература

• Бахети, Прасхант Пракасхцхандра (2003). Евалуатинг а Софтwаре Енгинееринг Кноwледге Басе. 
• Цлерy, Даниел (29. 7. 2014). А Пиеце оф тхе Сун: Тхе Qуест фор Фусион Енергy. Тхе Оверлоок Пресс. стр. 1—. ИСБН 978-1-4683-1041-2. 
• Деан, Степхен О. (5. 1. 2013). Сеарцх фор тхе Ултимате Енергy Соурце: А Хисторy оф тхе У.С. Фусион Енергy Програм. Спрингер Сциенце & Бусинесс Медиа. ИСБН 978-1-4614-6037-4. 
• Молина, Андрéс де Бустос (29. 8. 2013). Кинетиц Симулатионс оф Ион Транспорт ин Фусион Девицес. Спрингер Интернатионал Публисхинг. ИСБН 978-3-319-00421-1. 
• Пфалзнер, Сусанне (2006). Ан Интродуцтион то Инертиал Цонфинемент Фусион. УСА: Таyлор & Францис. ИСБН 978-0-7503-0701-7. 
• Восс, Давид (1. 3. 1999). „Wхат Евер Хаппенед то Цолд Фусион”. Пхyсицс Wорлд. ИССН 0953-8585. Архивирано из оригинала 12. 01. 2012. г. Приступљено 1. 5. 2008. 
• Круглински, Сусан (3. 3. 2006). „Wхатевер Хаппенед То... Цолд Фусион?”. Дисцовер Магазине. ИССН 0274-7529. Приступљено 20. 6. 2008. 
• Цхои, Цхарлес (2005). „Бацк то Сqуаре Оне”. Сциентифиц Америцан. Приступљено 25. 11. 2008. 
• Федер, Тони (јануар 2005). „Цолд Фусион Гетс Цхиллy Енцоре”. Пхyсицс Тодаy. 58 (1): 31. Бибцоде:2005ПхТ....58а..31Ф. дои:10.1063/1.1881896. 
• Хагелстеин, Петер L.; МцКубре, Мицхаел; Нагел, Давид; Цхубб, Талбот; Хекман, Рандалл (2004), Неw Пхyсицал Еффецтс ин Метал Деутеридес (ПДФ), Wасхингтон: УС Департмент оф Енергy, Архивирано из оригинала (ПДФ) 6. 1. 2007. г.  (манусцрипт)
• У.С. Департмент оф Енергy (2004), Репорт оф тхе Ревиеw оф Лоw Енергy Нуцлеар Реацтионс (ПДФ), Wасхингтон, DC: У.С. Департмент оф Енергy, Архивирано из оригинала (ПДФ) 26. 2. 2008. г., Приступљено 19. 7. 2008 
• Гоодстеин, Давид (1994), „Wхатевер хаппенед то цолд фусион?”, Америцан Сцхолар, 63 (4): 527—541, ИССН 0003-0937, Приступљено 25. 5. 2008 
• Цлосе, Франк Е. (1992), Тоо Хот то Хандле: Тхе Раце фор Цолд Фусион (2 изд.), Лондон: Пенгуин, ИСБН 978-0-14-015926-4 
• Беаудетте, Цхарлес Г. (2002), Еxцесс Хеат & Wхy Цолд Фусион Ресеарцх Преваилед, Соутх Бристол, Маине: Оак Грове Пресс, ИСБН 978-0-9678548-3-0 
• Ван Ноорден, Р. (април 2007), „Цолд фусион бацк он тхе мену”, Цхемистрy Wорлд, ИССН 1473-7604, Приступљено 25. 5. 2008 
• Таубес, Гарy (1993). Бад Сциенце: Тхе Схорт Лифе анд Wеирд Тимес оф Цолд Фусион. Неw Yорк: Рандом Хоусе. ИСБН 978-0-394-58456-0. 
• Броwне, M. (3. 5. 1989), „Пхyсицистс Дебунк Цлаим Оф а Неw Кинд оф Фусион”, Неw Yорк Тимес, Приступљено 25. 5. 2008 
• Адам, Давид (24. 3. 2005), Русбрингер, Алан, ур., „Ин фром тхе цолд”, Тхе Гуардиан, Лондон, Приступљено 25. 5. 2008 
• Платт, Цхарлес (1998), „Wхат иф Цолд Фусион ис Реал?”, Wиред Магазине (6.11), Приступљено 25. 5. 2008 
• Хутцхинсон, Алеx (8. 1. 2006), „Тхе Yеар ин Сциенце: Пхyсицс”, Дисцовер Магазине (онлине), ИССН 0274-7529, Приступљено 20. 6. 2008 
• Адам, Давид (24. 3. 2005), Русбрингер, Алан, ур., „Ин фром тхе цолд”, Тхе Гуардиан, Лондон, Приступљено 25. 5. 2008 
• Алфред, Рандy (23. 3. 2009). „Марцх 23, 1989: Цолд Фусион Гетс Цолд Схоулдер”. Wиред. Архивирано из оригинала 4. 1. 2014. г. 

Спољашње везе

• Латест Фусион Енергy Ресеарцх Неwс
• Интернатионал Тхермонуцлеар Еxпериментал Реацтор (Итер) фусион реацтор wорк гетс го-ахеад (ББЦ неwс Маy 2006)
• У.С. Фусион Енергy Сциенце Програм