Mi az atomfúzió?

A 19. század végére a napfény spektroszkópiai mérései feltárták, hogy a Nap nagy mennyiségű hidrogént és kis mennyiségű héliumot tartalmaz. A tudósok tisztában voltak ezzel a 20. század első évtizedeiben, ám mivel a relativitáselméletet csak nemrégiben vezettek be, és a kvantumfizika még a legkorábbi fejlődésében volt, nem volt lehetőség arra, hogy ezt a megfigyelést a csillagok energiatermelésének problémájára alkalmazzák. Ez teljes rejtély volt az 1920-as évek elejéig, amikor Francis Aston brit fizikus rájött, hogy négy hidrogénatom együttes tömege valamivel nagyobb, mint egyetlen hélium atom tömege. Einstein elmélete azt jósolta, hogy ez a tömegkülönbség energiává válik, és ezért Aston feltételezte, hogy a csillagok energiát hoznak létre azzal, hogy a hidrogénatomokat héliummal egyesítik. Ezt a hipotézist a következő 20 évben hitelesítették, és a csillagfúzió elméletét ma a modern fizika egyik diadalmasának tekintik.

Gyorsan rájött, hogy a fúziós reakciók hatalmas mennyiségű hasznos energiát eredményezhetnek. Nem csak ez, hanem az ahhoz szükséges üzemanyag (hidrogén) is olyan bőséges a Földön, hogy gyakorlatilag korlátlan, és az egyetlen hulladéktermék a hélium, amely nem mérgező és nem járul hozzá a globális felmelegedéshez.

Ez a cikk megvitatja, mi a nukleáris fúzió, és milyen következményekkel jár ez az energiaforrás.

Tömeg-energia átalakítás

A kémiával ellentétben a tömeg nem konzerválódik egy nukleáris reakció során. Mindig azt tapasztaljuk, hogy a reakciótermékek tömege eltér a reagensek tömegétől. Ezt a tömegkülönbséget tömeghibanak nevezzük, amelyet ∆m-ként írunk. Úgy tűnik, hogy a tömeg eltűnik, mert a tömeghibát Einstein egyenlete energiává alakítja. A reakcióból nyert energia E = ∆mc². Hasznos energia megszerzéséhez pozitívnak kell lennünk. Fúziós reakcióban ez azt jelenti, hogy azt akarjuk, hogy a termék tömege valamivel kisebb legyen, mint a reagensek tömege, például egy héliumatom kissé könnyebb, mint négy hidrogénatom. A hasadásban azt jelenti, hogy azt akarjuk, hogy a termékek tömege kevesebb legyen, mint a reagens tömege, például az uránatom kissé tömegebb, mint a neutronok, valamint a kripton és a bárium atomok együttes tömege, amelyet a reakció eredményez. Több energiára lenne szükség a reakciók ellentétes irányba történő végrehajtásához, mint amennyit szabadulna fel: elvileg lehetséges a hélium atom hidrogénre bontása, de ez a folyamat több energiát fogyasztana, mint amennyit szabadulna fel.

Kötési energia

Annak ellenére, hogy a nukleonok száma változatlan marad a reakcióban, miért van a hélium atom négynél hidrogénatomnál könnyebb, és miért nehezebb az urán atom, ha a kripton és a bárium atom együttes tömege? Pontosan hol van a tömeg? A kérdés megválaszolásának megkezdéséhez írjuk fel a reakció energiamegtakarítási egyenletét. Legyen Ep egy proton tömeg-energiája (ami majdnem pontosan megegyezik a hidrogénatom tömeg energiájával, figyelmen kívül hagyjuk az elektronot, mivel tömege ~ 1/2000 a proton tömegéhez), En egy neutron, E-He egy hélium atom tömegenergiája és ∆E a reakció által felszabaduló energia. Az energia-egyenlet:

Ez azt mondja nekünk, hogy a hélium atommagjában tárolt teljes energiának két kifejezése van. Az első négy nukleon tömeg-energiája (két proton és két neutron, tömeg-energiájukat megközelítőleg egyenlőnek tekintjük, mivel egy proton tömeg-energiája körülbelül 999/1000 a neutroné), a második pedig negatív kifejezés, amelynek abszolút értéke valueE. Ezt a negatív energiát kötési energiának nevezzük. Ez a kölcsönhatás teljes potenciális energiájának felel meg, amelyben az erős nukleáris erő az összes nukleont együtt tartja, mínusz a töltött részecskék közötti visszatükröző Coulomb erő elektromos potenciál energiája. A kötési energia negatív, mivel egy részecskének munkának kell lennie (el kell veszítenie a kinetikus energiát) ahhoz, hogy elkerülje a magot. A nukleononkénti kötőenergia egy adott elem atomjainak jellemző tulajdonsága, és ezt az energiát a következő ábra szemlélteti:

Megjegyzés: A kötési energia abszolút értékét ábrázolja. Forrás: Wikimedia Commons

Fontos szabály az, hogy ha a reakció termékmagainak alacsonyabb (abszolút értéknél nagyobb és ennélfogva magasabb az ábrán, de alacsonyabb abban az értelemben, hogy negatívabbak) nukleononkénti kötőenergia, mint a reagenseknél, akkor az energia felszabadul. Hogy megtudja, miért van ez a helyzet, képzeljünk el egy közbenső állapotot a reakció után (akár fúzió, vagy hasadás), amelyben egy termékmag egyetlen pillanatban létezik kötetlen állapotként, amely nem kölcsönhatásba lépő protonok és neutronok egy hüvelyéből áll. Annak érdekében, hogy atommagvá váljon, a nukleonok halmát az erős nukleáris erő révén kölcsönhatásba kell kötni. Ennek a kölcsönhatásnak az energiája a kötési energia, amely negatív, tehát a nukleonok halomából álló rendszer teljes energiája csökken, amikor megfelelő magvá válik. Az energiát azonban meg kell takarítani, tehát ahhoz, hogy a rendszer csökkentse belső energiáját, bizonyos energiát ki kellett keltenie a környezetébe.

A diagramon azt is láthatja, hogy a vasnál nehezebb elemek energiát bocsátanak fel, amikor megosztódnak, és a vasalástól könnyebb elemek, amikor összeolvadnak. A vas a legstabilabb elem, és nincs olyan reakció, amely megoszthatja vagy megolvaszthatja a vasat, miközben energiát szabadít fel.

Hogyan okozhat fúziót?

Megállapítottuk, hogy mi történik a magfúzió során, de tudnunk kell, hogyan lehet két atommagot megolvadni.

Az atommagok, amelyek ugyanúgy vannak, mint a nem töltött neutronok és a pozitív töltésű protonok, mind pozitív töltésűek, és ezért taszítják egymást. Amikor azonban a két mag közötti elválasztás összehasonlítható a nukleáris átmérőjével, akkor egy új erő, az úgynevezett erős nukleáris erő aktívvá válik. Az elektrosztatikus erőtől eltérően, amelynek végtelen tartománya van, az erős nukleáris erő véges tartományú, és ezért nem alakul ki erős nukleáris kölcsönhatás azon magok között, amelyeket ezen a távolságnál nagyobb távolság választ el egymástól. Az elektrosztatikus erővel ellentétben azonban az erős erő vonzó és protonokat és neutroneket tart össze a visszatükröző elektromos erő ellen. Két mag összeolvad, ha elég közel állhatjuk egymáshoz, hogy az erős nukleáris erő meghaladja az elektrosztatikus erőt.

Ahelyett, hogy itt erõkre gondolnánk, a kép világosabb lesz, ha a potenciális energiára gondolunk, és elsõ lépésként olyan naiv klasszikus megközelítést alkalmazunk, amely figyelmen kívül hagyja a kvantummechanikát. A q pozitív töltésű részecske, mint például a hidrogén atom (proton) magja, elektromos potenciálmezőt hoz létre:

Džaula / Coulomb egység

Ahol ε0 egy fizikai állandó, amelyet a szabad terület engedélyezésének hívnak. Ez a potenciális mező azt mondja nekünk, hogy ha két Q és q töltést elválasztanak r távolság, akkor a kölcsönös kölcsönhatásukhoz kapcsolódó potenciális energia:

Láthatjuk, hogy ez az energia nagyobb lesz, amikor az r távolság kisebb lesz. Ezért annak érdekében, hogy a két díjat közelebb hozzuk egymáshoz, meg kell dolgoznunk a két díj rendszerén. Képzelje el, hogy megpróbálja összehúzni a két rúdmágnes északi pólusait. Lehetséges, de némi erőfeszítést igényel. Ezért az a munka, amelyre két proton fúziójának indukálásához szükség van, az az a munka, amelyet meg kell tennünk ahhoz, hogy két töltési töltést hozzunk létre q = Q = ~ 1,6 × 10 ^ –19 Coulombs távolságra, amelyen az erős erő uralja, r = 1,7 femtométer (1 fm = 10 ^ -15 méter). Ezért U = 1,35 × 10 ^ -13 Joule, vagy körülbelül 843 keV (1 keV = 1000 elektron volt).

Az itt szereplő érvelés kézzelfoghatóbb megértése érdekében képzelje el, hogy megpróbálja rúgni egy m tömegű golyót, hogy az guruljon a h magasságú hegy tetejére. A Föld felszíne közelében egy h potenciális súlyának potenciális energiája U = mgh (A potenciális függvények jellege önkényesen állíthatja, hogy a potenciál nulla a hegy alján, függetlenül a tengerszint feletti magasságtól) . Ha feltételezzük, hogy a domb alakját valamilyen y (x) függvény adja, akkor a dombot térbeli potenciálgátként láthatjuk U (x) = mgy (x), hogy a golyó kinetikus energiájának meg kell haladnia a mgh in elrendelni a keresztet, különben blokkolva van. A domb alakja tetszőleges, amennyiben figyelmen kívül hagyjuk a légállóságot és a súrlódást.

Ez a diagram megmutatja nekünk a labda viselkedését három különböző körülmény között annak kinetikus energiáján. Ha a golyó kinetikus energiája kisebb, mint mgh, akkor a golyó h-nél kisebb magasságot ér el, majd gördül vissza. Ha a kinetikus energia pontosan megegyezik mgh-val, akkor a golyó felmegy a domb tetejére és ott marad. Ha a kinetikus energia meghaladja a mgh-t, akkor a golyó felmegy a domb tetejére, majd gördül le a másik oldalra. Vessünk egy diagramot, amely szemlélteti a két proton helyzetét, amikor közelednek egymáshoz.

Megjegyzés: A függőleges tengely nem méretezhető.

Ez az ábra a két proton kölcsönhatásának teljes energiáját mutatja. Ha a potenciális energia pozitív, akkor a protonoknak meg kell dolgozniuk az elválasztásuk csökkentése érdekében, ezért az interakció hajlamos a protonok megcáfolására. Ha a potenciális energia negatív, akkor a protonoknak külön munkát kell végezniük az elválasztásuk fokozása érdekében, és így az interakció hajlamos lesz vonzó.

A görbe A-val jelölt szakaszában csak az elektrosztatikus interakció aktív és a potenciál pozitív. Körülbelül 1,7 fm távolságra, amelyet B pont jelöl, az erős interakció „bekapcsol” és azonnal legyőzi az elektrosztatikus kölcsönhatást. A B pontban levő energiát az akadály magasságának nevezzük, és ha a proton az akadálytól jobbra indul, és az energiája kevesebb, mint az akadály magassága, akkor a gát bal oldalán lévő régiót nevezzük klasszikusnak tiltott régió. Körülbelül 0,7 fm távolságon, amelyet a C pont megjelöl, az erős kölcsönhatás pozitívról visszatükröződikre vált, tehát a görbe D szakaszával jelölt részecskéje visszahúzódik C-be.

A potenciálgörbe azon szakaszát, ahol az elektrosztatikus kölcsönhatás dominál, V (x) x> 1,7 fm-nél, elektrosztatikus vagy Coulomb-akadálynak nevezzük. Korábban tárgyaltunk arról, hogy a Coulomb-gát energiája ~ 843 keV. A klasszikus képen, ha a bejövő proton kinetikus energiája kevesebb, mint ez az összeg, akkor nem képes átjutni a Coulomb-gáton, hasonlóan ahhoz a helyzethez, amikor a labdát elegendő mennyiségű kinetikus energiával kell rúgni, hogy az átadódjon. a domb.

Tehát hogyan adunk elegendő kinetikus energiát a protonnak? A legegyszerűbb és leghatékonyabb módszer az, hogy nagyon melegvé teszi. Természetesen a hőmérsékletet nem határozzuk meg az egyes atomok esetében, de meghatározhatjuk a hidrogénatomok nagy mintájának hőmérsékletét, T-nek hívjuk. A monoatomikus gázminta T hőmérséklete átlagos kinetikus energiája ⟨K⟩ = (3 / 2) kT, ahol k Boltzmann állandója. Megállapítottuk, hogy a szükséges hőmérséklet abszurd módon magas: 6,5 milliárd Kelvin. Ez a nagyságrend nemcsak a Földön ésszerűen elérhető érték felett van, hanem a Nap magjának becsült hőmérséklete „csak” 15 millió Kelvin, ami körülbelül 0,23% -a annak a hőmérsékletnek, amelyet naiv megközelítésünk során kaptunk. Tehát hogyan lehetséges, hogy csillagfúzió fordulhat elő, és hogyan remélhetnénk valaha is itt a Földön?

Akadályok behatolása

A válasz a gáton való áthatolás jelenségére, amelyet kvantum-alagútnak is nevezünk. Mindannyian tudjuk, hogy az atom- és szubatomi távolság skálán lévő részecskék helyzete nincs pontosan meghatározva. Ha egy mérést végezzünk a bejövő proton helyzetéről, és azt találjuk, hogy a Coulomb-akadálytól jobbra helyezkedik el, és az energiánál kevesebb az akadály magassága, akkor a második mérés valószínűsége egyáltalán nem valószínű, ha a protont a klasszikusan tilos régió az akadálymagasság bármely véges értékére. A WKB-közelítést használó számítás túlságosan fejlett és beépített a cikk szintjére, de végül azt találhatjuk, hogy a valószínűséget megadó egyenlet:

Két proton csillagfúziójának esetében úgy találjuk, hogy ha feltételezzük, hogy a proton x = 0-nál nem mozog sokat az ütközés során, a bejövő proton átlagos energiájával ⟨K⟩ = (3/2) kT adódik, így E = 1935 eV, az akadály áthatolásának valószínűsége körülbelül 1,2 × 10 ^ -17. Ez rendkívül kis számnak tűnhet, de ne feledje, hogy a hidrogénatomok makroszkopikus mennyiségeivel foglalkozunk. Ha egy gramm hidrogénatomok kerülnek bele egy grammon álló atomokon, akkor 7,2 millió fúziós esemény várható.

A csillagfúzió konkrét esetben meg kell jegyeznünk, hogy két proton fuzionálása csak a legelső lépése a proton-proton ciklusnak. A két hidrogénmag összeolvad és egy rendkívül instabil kötött állapotgá válik, amelyet diprotonnak hívnak, amelynek bomlási ideje kb. 10 ^ -22 másodperc. Stabil deutériummaggá (amely azután kondenzálódik a Hélium-3-ba, majd végül a Hélium-4-be) az egyik protonnak pozitron és elektron-neutronó kibocsátásával semlegesre kell bontódnia. Ez a folyamat még valószínűtlenebb, de a csillagok mindazonáltal képesek elegendő energiát előállítani, mivel éppen ilyen sok hidrogénatom van jelen. Ez a helyzet különösen a csillagfúzió esetére vonatkozik, ráadásul a nukleáris interakciók hosszú elmélyülését igényli, tehát ebben a cikkben sokkal több időt nem fordítunk erre.

Függetlenül attól, hogy melyik fúziós folyamatot próbáljuk indukálni, legyen az két szabályos hidrogénatom, vagy két deutérium, deutérium és trícium atom, vagy bármi más, ez az alapvető megközelítés: atomgáz felmelegszik arra a pontra, ahol a véletlenszerű hőmozgásuk kinetikus energiája elég nagy ahhoz, hogy eléggé nagy változást biztosítson számukra az alagút kialakításában, és így összeolvadva váljon össze. Csillagfúzió során a reakció első meggyulladásához szükséges hőt súrlódás és nyomás kelti, amikor a csillag kialakulásakor az összes gázatom befelé összeomlik, és onnan a láncreakció révén előállítják a szükséges hőt. A mesterséges fúzióban kicsit kreatívabbnak kell lennünk. Jelenleg három fő technikát vizsgálnak. Az elsőt semleges sugárbefecskendezésnek nevezzük, és ez a folyamat hőt hoz létre, mivel rendkívül nagy energiájú részecskéket vezet a plazmába. A második gyorsan oszcilláló mágneses mezőket használ az energia pumpálására a plazmába. Harmadik a ohmikus melegítés, amely kihasználja egy vezető (például plazma) hajlamát felmelegedni, amikor nagy áram halad át rajta. Fontos kiemelkedő probléma a reakció kialakításának kitalálása, hogy a fúziós reakciók hozzájáruljanak a plazma szükséges hőmérsékleten tartásához. A hatékony fűtés továbbra is a fúziós kutatás egyik központi kérdése, különösen mivel a mesterséges fúzió, amelynél gyorsabb reakciósebesség szükséges, mint a csillagfúzió, 100 millió kelvinnél magasabb hőmérsékletet igényel.

A reaktorok típusai

Ez a cikk eddig meglehetősen elvont, és egyesek ezt kissé unalmasnak találhatják. Most azonban abban a helyzetben vagyunk, hogy ezt konkrétabbá tegyük azáltal, hogy beszélünk a ma vizsgált különféle típusú fúziós reaktorokról, amelyek remélhetőleg még érdekesebbek is. Vegye figyelembe, hogy a csillagfúzióval ellentétben szinte az összes mesterséges reaktor, amely héliumot termel deutérium és trícium olvadásával, akár a D-D ciklusban (két deutérium atom hozza létre egy héliumot), akár a D-T ciklusban (egy deutérium atom és egy trícium termelése héliumon).

A tokamak

A Tokamak reaktor valószínűleg a legközvetlenebb módon felismerhető az ebben a szakaszban szereplő technológiák közül. A név orosz, és a „toroid kamra mágneses tekercsekkel”, vagy „toroid kamra axiális mágneses mezővel” orosz szavak rövidítése. A 1950-es években a Szovjetunióban kifejlesztett Tokamak a fúziós reaktor legalaposabban kutatott és fejlesztett stílusa, és továbbra is vezető jelölt a nagyteljesítményű fúziós energia előállításához.

A Tokamak reaktor toroid (fánk alakú) kamrával rendelkezik. A mágneses tereket az ábrán látható zöld tekercsek és egy maga a plazma által vezetett elektromos áram hozza létre. A kapott mágneses tér spirál alakú, az ábrán látható sötét lila nyilakkal jelölve. Ezért mágneses záróreaktornak kell besorolni, vagyis mágneses tereket használ a plazma melegítésére és tárolására.

A Tokamak és mágneses tereinek sematikus rajza. Forrás: CCFE

Ezek a leggyakoribb kísérleti reaktorok, körülbelül három tucat jelenleg aktív a világon. Amikor a franciaországi ITER Tokamak 2025-ben elkészül, akkor a világ legnagyobb Tokamakja lesz.

Plazma az Egyesült Királyságban a MAST reaktorban. Forrás: ITER.

A Stellerator

A Stellerator minta egy másik mágneses szűrőeszköz, amely ugyanazt az alapvető működési elvet követi, mint a Tokamak, de kulcsfontosságú különbséggel. A plazma befogadása érdekében a Tokamak spirális mezőt hoz létre. Ehhez nagy áramot kell átvinni magán a plazmán. Ez azt eredményezi, hogy a plazma kevésbé stabil, növeli annak esélyét, hogy a mágneses záródás megbukik, leállítja a reakciót és potenciálisan károsítja a reaktorot. A szelelerátor ezt elkerüli, ha a plazmát és magát a reaktorot csavarja el, nem pedig egy csavaró mágneses teret hoz létre.

A plazma (sárga) és egy mágneses mezővonal (zöld) vázlata a tervezett Wendelstein 7-X reaktorban. Forrás: Wikimedia Commons

Enrico Fermi és kollégái rögtön észrevették ezt a Tokamaks-alapú problémát Enrico Fermi és kollégái, a Tokamak-terv első javaslatának előterjesztése után. A reaktor ilyen módon történő megtervezése azonban rendkívül pontos számítógépes szimulációkat és rajzokat igényel, valamint a pontosan gyártott szupravezető tekercsek által létrehozott rendkívül nagy teljesítményű mágneses mezőket, amelyek mindegyike nem volt elérhető Fermi idején. Ez a technológia csak az 1990-es években volt elérhető, ezért csak nemrégiben lehetett komolyan javasolni a szelektorosítókat. A 2015-ben elkészült, a németországi Wendelstein 7-X, amely 2015-ben fejeződött be, jelenleg a legnagyobb működő szelektor, és várhatóan 2021-ben fogja elérni a folyamatos működést - a fúziós kutatás fontos mérföldkövét.

Első plazmagyújtás a Wendelstein 7-X-ben. Forrás: Max Planck Intézet.

Közvetlen meghajtó

Ez a megközelítés teljesen különbözik a most tárgyalt kettőtől. A közvetlen hajtású reaktor inerciális záróberendezésnek minősül. Inerciális záró körülmények között rendkívül nagy mennyiségű energiát szállítanak a szilárd tüzelőanyag-pellethez, ezáltal a pellet extrém hőmérsékletre melegítve. A pellet külső rétege nagy erővel elpárolog és kifelé robban, ezért egy reakcióerő visszaszorul, és ütéshullámot hoz létre. Ez a sokkhullám felelős az így kapott plazma melegítéséhez és korlátozásához szükséges energiáért és kompresszióért. Szinte az összes legújabb eszköz lézert használt.

A tehetetlenségi szűrési folyamat egyszerűsített ábrázolása. Forrás: Wikimedia Commons.

Ezt a folyamatot az ábra szemlélteti. Az 1. lépésben a lézerek melegítik a pellet külső rétegét. A 2. lépésben a külső réteg elpárolog, és ütéshullámot generál, amely befelé és kifelé irányuló erőket eredményez. A harmadik lépésben a lökéshullámok arra kényszerítik a pelletét, hogy befelé essen, és ez indítja a fúziót a 4. lépésben.

Ezt a megközelítést jelenleg az Egyesült Államok nemzeti gyújtóberendezése vizsgálja.

Az inerciális szülési fúziót néhányan bírálták, akik azt állítják, hogy ez a nukleáris fegyverek kutatásának frontja, amelyet energiakutatásként maszkolnak. Valószínűleg ez a helyzet bizonyos kormányzati szereplők esetében (különösen a NIF-t ugyanaz a kormányzati testület finanszírozza, amely a nukleáris készleteket kezeli), de a tehetetlenségi szűrés teljes területe nagyon széles, és az ICF továbbra is fontos és aktív terület kutatás.

Sugár előerősítők a NIF-nél. A lézerrendszert 500 terawatt teljesítmény előállítására használták fel, bár csak egy apró pillanat alatt. Forrás: Wikimedia CommonsÜzemanyagpellet a NIF rendszer számára. Forrás: Wikimedia Commons.

A Farnsworth Fusor

Az eddig megvitatott projektek hatalmas vállalkozások voltak, amelyeket csak a világ legnagyobb gondolkodóképességének valamelyikének reménykedett, akik az egész nemzetállam pénzügyi támogatásával intézményekben dolgoznak. Itt van egy, amit kipróbálhat otthon!

Nos, nem egészen. Még mindig nagyon szilárd alapokra van szüksége az alapvető fizika és elektronika területén. A projekt megfelelő olyan személyeknek, akik legalább fizikai alapképzettséggel rendelkeznek, ideális esetben egy csapatban dolgoznak, néhány ezer dolláros költségvetéssel. Mint annak a szintnek a mércéje, amelyen valószínűleg szeretne lenni, a fizikai nagyok nem hallják, hogy ezeket felépítik az idősebb projektekre.

A Farnsworth fuzor, vagy egyszerűen a fusor, abban különbözik a legtöbb kísérleti fúziós eszköztől, hogy célja nem hasznos energia előállítása. A fuzorok reménytelenül nem hatékonyak. Vannak azonban valamilyen hasznosságuk, mint kompakt és könnyen vezérelhető neutron sugárzási forrás. Nagyon szép képeket is készítenek.

Egy reaktor, amelyet a Wisconsin-Madison Egyetem fizikusai építettek. A jellegzetes „csillag egy üvegben” mintázat látható. Képforrás: UWM.

A fuzorok inerciális elektrosztatikus kötéssel működnek. Ez a folyamat hasonlít a tehetetlenségi szûrésre, de nyomáshullám helyett elektromos teret használ. Ez szintén a legegyszerűbb megközelítés a fúzió eléréséhez. Az olvasztható atomok (a legtöbb szerkezet deutériumot használ, mivel viszonylag olcsó) ionizálódnak, és ezért töltöttek. Az elektromos mezőt két koncentrikus, ellentétesen töltött gömb alakú rács hozza létre. Az atomok a mező által a reaktor középpontjába kerülnek, ahol összeütköznek és kismértékű esélyük van a megolvadásra. A következő ábra ezt a folyamatot szemlélteti, bár csak egy dimenzióban.

A tehetetlenségi elektrosztatikus korlátozás egyszerűsített vázlata.

A pozitív töltésű deutériummagok azon régiókba esnek, ahol véletlenszerű hőmozgásokkal az elektromos mező van jelen. Ésszerű megközelítés, hogy az elektromos mező teljesen ebben a régióban található. A mező felgyorsítja őket a központ felé. Hiányoznak az anódrácsok, és lendületük továbbviszi őket. A magok megolvadhatnak, amikor a központba ütköznek.

A fuzoroknak valószínűleg nincs szerepe az energiatermelésben, de mivel kicsik, viszonylag olcsók és mivel plazmafizikai doktori fokozat nélkül tudják építeni és üzemeltetni őket, ennek ellenére intenzív szakmai és amatőr kutatások tárgyát képezik. Az interneten nőtt egy kicsi, de virágzó „Fusioneers” közösség, amely sokszínű háttérből származik, beleértve a hivatásos fizikusokat, a tudományos hobbiokat és az alkalmi gyermekcsaládot.

Hidegolvadás és egyéb csalások

Ha és amikor a fúziót életképes energiaforrásként hasznosítják, akkor azt jogosan tekintik az emberiség egyik legnagyobb tudományos eredményének, és a hír és gazdagság biztosan várja a tudósokat és mérnökeket, akik végül megoldják a problémát. Ennek szerencsétlen mellékhatása az, hogy a fúziós kutatások történetét jó szándékú, ám túl hyped projektek pusztítják el, amelyek végül kudarcot vallnak, csalások, nyílt csalások és szabad energia-összeesküvés-elméleti szakemberek.

Ezek közül leginkább az úgynevezett „hidegfúzió”, azaz egy olyan fúziós reaktor, amely állítólag nettó teljesítményt termel szobahőmérsékleten vagy annak közelében. A cikkben korábban már leírtuk, hogy miért van szükség rendkívül magas hőmérsékletre a fúzióhoz. A tudomány által jelenleg ismertetett körülményt nem lehet megkerülni, tekintet nélkül a támogatók által az évtizedek óta elfogyasztott sok-sok állításra. Minden olyan állítást, amely szerint szobahőmérsékleten vagy annak közelében, vagy ténylegesen 10 millió Celsius fok alatti hőmérsékleten sikerült elérni, intenzív szkepticizmussal kell kezelni. Kivétel ez alól a muon-katalizált fúzió, egy nagyon spekulatív, de érvényes folyamat, amely magában foglalja az abszolút nulla közelében zajló reakciókat.

Sajnos túl sok ezek közül az interneten lebegnek, hogy valaha is remélhessem, hogy megcáfolhatom őket. A RationalWiki két fantasztikus cikket tartalmaz a témában:

  • Hideg fúzió
  • Fúziós woo

A média bármilyen nagyon csúcstechnológiával kapcsolatos igényének értékelésekor a legjobb, ha optimista, de kellően szkeptikus, és a jelenlegi helyzetben jó ok van az optimizmusra. Ennek ellenére mindig vigyázzon, hogy a médiahiba és a kívánságos gondolkodás csapdájába essen, és soha ne bízz olyan emberekben, akik megpróbálnak meggyőzni valamit, ami túl jónak hangzik ahhoz, hogy igaz legyen.

Hova megyünk innen?

Jó ok van feltételezni, hogy a fúziós energia lehetséges, és életünk során kulcsfontosságú eleme lehet az energiaellátásnak. A kérdés már nem a technikai és tudományos megvalósíthatóság kérdése, hanem a közgazdaságtan és a politika kérdése. Az Egyesült Államokban jelenleg van egy olyan kormányunk, amely egyre inkább nem érdekli a kutatás finanszírozását, és amely továbbra is a fosszilis tüzelőanyagok iparának szellemében áll. A globális színtéren a nacionalista és a reakciós mozgalmak fenyegetik az új és fenntartható technológia együttműködésére és fejlesztésére irányuló nemzetközi erőfeszítések haladását. A profit-motivált energiaszolgáltatók számára a hideg gazdasági számítás egyszerűen nem hagy ösztönzést a technológiai status quo megzavarására. Ha fúziós hatalmat akarunk, és azzal a fenyegetéssel, hogy az éghajlatváltozás minden nap romlik, fúziós hatalomra van szükség, akkor politikai fellépésre van szükség.

Ok van reménykedni. Az Európai Unióban bekövetkezett fejlemények kihozták a nukleáris fúziót a spekuláció területéből, és a fúziós energia most egy rövid távú kilátás. Egy fiatal és energikus, progresszív mozgalom felkavarodott, és most választásokat nyer, és agresszív agitációt mutat mind a tudományos, mind a környezetvédelmi fejlődésért. A fosszilis tüzelőanyag-ipar végül kezdi elveszíteni társadalmi kapcsolatait, mivel az alternatívák életképesebbé válnak, és az olaj- és szénellátás geopolitikája instabilsá válik. A haladás lassú és folyamatos, de minden oka van azt hinni, hogy a fúzió életünk során hatalmat fog adni otthonunkra.

Záró megjegyzés / zavarodás

Ha eddig elérted, akkor köszönöm az olvasást. Mostanában teljesen elhanyagoltam ezt a blogot, és elnézést kérek ezért. A pozitív oldalról kitaláltam, hogyan lehet a hurkokhoz használni a LaTeX-et, miközben készítettem a cikk grafikáját, amely szép volt. Remélhetőleg hamarosan képes leszek erre nagyobb figyelmet fordítani. Azt mondom, hogy hetente legalább egy cikket megpróbálok kiadni, de a dolgoknak szokása van az útba kerülni. Most azt tervezem, hogy elindítsam a kvantummechanika Essence of Quantum Mechanics sorozatomat, most, hogy jó gondolataim voltak a stílusomról és megközelítésemről, amelyet alkalmaznom kellene, és az irányba, ahova be kellene vezetnem.

Mint mindig, teljes felelősséget vállalok a jelenlévő hibákért, és nagyra értékeltem a javításokat.