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
A Napban főként proton–proton lánc alakít hidrogént héliummá. A folyamat több lépésből áll, és a gyenge kölcsönhatás egyik lépése miatt lassú. Ez a lassúság teszi lehetővé, hogy a Nap milliárd évekig stabilan sugározzon, ne pedig rövid idő alatt használja el üzemanyagát.
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.