Mini-kurzus
Magfúzió
Magfúziókor könnyű atommagok egyesülnek nehezebb maggá, és energia szabadulhat fel, ha a termék nukleonjai átlagosan erősebben kötöttek. A csillagok energiatermelésének alapja ilyen folyamat, de földi körülmények között a pozitív magok Coulomb-taszítása miatt rendkívül nehéz tartósan megvalósítani.
Miért szabadulhat fel energia?
A könnyű magoktól a vas környékéig nő az egy nukleonra jutó kötési energia. Ha két könnyű mag összeolvad és a végállapot erősebben kötött, a rendszer nyugalmi tömege csökken. A különbség mozgási energiává és sugárzássá alakul.
A Coulomb-gát
Két pozitív mag elektromosan taszítja egymást. Ahhoz, hogy az erős kölcsönhatás rövid hatótávolságába kerüljenek, nagyon közel kell jutniuk. Magas hőmérsékleten a részecskék nagy mozgási energiája növeli ennek esélyét, kvantummechanikai alagúthatás pedig a klasszikusan elegendő energia alatt is lehetővé tesz reakciókat.
Fúzió a Napban
Az atommag sugara nagyságrendekkel kisebb az atom teljes sugaránál. Ezért az atom térfogatának nagy része nem tömör anyag, hanem az elektronállapotok által meghatározott tér. Ez nem azt jelenti, hogy „semmi sincs ott”: az elektromos kölcsönhatás és a kvantumállapotok határozzák meg, hogyan közelíthet két atom egymáshoz.
Miért kell plazma?
Fúziós hőmérsékleten az anyag ionizált: az elektronok nincsenek tartósan atommagokhoz kötve, plazma jön létre. A forró plazmát nem lehet közvetlenül hétköznapi falhoz érinteni, mert gyorsan lehűlne és károsítaná az anyagot. Mágneses vagy inerciális összetartási módszerek ezért központi szerepűek.
Lawson-kritérium
Nem elég magas hőmérsékletet elérni. A sűrűségnek és az energia-összetartási időnek is elegendőnek kell lennie ahhoz, hogy a fúziós energia meghaladja a veszteségeket. E feltételek kapcsolatát a Lawson-kritérium foglalja össze.
Deutérium–trícium reakció
Földi kísérletekben gyakori jelölt a D+T→⁴He+n reakció, mert viszonylag kedvező reakciókeresztmetszete van elérhető plazmahőmérsékleten. A keletkező nagy energiájú neutron viszont anyagkárosodást és aktivációt okozhat, így komoly mérnöki kihívás.
Fúzió és hasadás
Mindkettő energiát nyerhet a kötési energia görbéjéből, de ellenkező oldalról közelít a vas körüli maximumhoz: a könnyű magok egyesülnek, a nagyon nehézek szétválnak. A reakciók termékei, neutronháztartása és műszaki szabályozása jelentősen eltér.
Próbáld ki
Miért nem indul be számottevő termikus fúzió szobahőmérsékleten két hidrogénizotóp között?
Megoldás
A pozitív magok Coulomb-taszítása miatt túl kicsi az esély, hogy az erős kölcsönhatás hatótávolságába kerüljenek. Magas hőmérséklet és kvantumos alagúthatás együtt növeli a reakció valószínűségét.