Što je potrebno za nuklearnu fuziju?

Da bi došlo do fuzije, potrebno je prijeći određenu energetsku barijeru. Atomske jezgre se međusobno odbijaju zbog postojanja elektrostatske sile među pozitivno nabijenim protonima koji uz neutralne neutrone čine atomsku jezgru. No, ako se dva protona ipak uspiju približiti dovoljno jedan drugome, elektrostatsku silu među njima će nadvladati još snažnija nuklearna slika koja djeluje na vrlo malim udaljenostima.

Kada se nukleon (poput protona ili neutrona) doda jezgri, jaka sila ga privlači drugim nukleonima, ali to se uglavnom očituje samo od strane susjednih nukleona jer je ova sila dometom vrlo kratka. Nukleoni koji se nalaze u dubini jezgre, imaju oko sebe mnogo više susjednih nukleona od onih na površini. Kako manji nukleoni imaju veći omjer površine prema volumenu, energija vezanja (binding energy) po nukleonu se zbog jako sile općenito povećava s veličinom nukleona, ali se približava nekakvoj konačnoj vrijednosti koja odgovara onoj za potpuno okruženi nukleon.

S druge strane, elektrostatska sila je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti, pa će zbog toga  proton koji je dodan jezgri osjećati elektrostatsko odbijanje od svih protona koji se nalaze u jezgri. Elektrostatska energija po nukleonu se zbog elektrostatske sile povećava bez granice kako se povećava i sama jezgra.

Ukupni rezultat ovih dviju sila koje se međusobno suprotstavljaju je taj da se energija vezanja po nukleonu općenito povećava s povećanjem veličine sve do elemenata poput željeza i nikla, te da se smanjuje za mnogo teže jezgre. Tim slijedom kod vrlo masivnih jezgri energija vezivanja postaje negativna, pa takve jezgre nisu stabilne već se s vremenom raspadaju u procesu koji se naziva radioaktivni raspad.

Situacija je vrlo slična kada se dvije jezgre približe jedna drugoj. Kako se međusobno približavaju, svi protoni iz jedne jezgre odbijaju sve protone u drugoj jezgri. Jezgre je potrebno približiti da se, praktično, dotaknu da bi odbijanje među njima nadvladala jaka nuklearna sila kratkog dosega. Posljedično, čak i ako je takvo stanje (vezane jezgre) energetski stabilnije i povoljnije, potrebno je prvo svladati veliku energetsku barijeru. Ova se pojava u kemiji naziva aktivacijska energija (ili energija aktivacije). U nuklearnoj fizici je poznajemo pod nazivom Coulombova barijera.

Coulombova barijera je najmanja za izotope vodike – oni sadržavaju samo jedan pozitivni naboj  jezgri. Biproton nije stabilan pa se tu nalaze uključeni neutroni i  to tako da se uglavnom tvori  jezgra helija koja je ekstremno čvrsto vezana.

Ako za poticanje reakcije koristimo ubrzavanje jedne jezgre i njezino sudaranje s drugom, mirujućom – govorimo o „beam-target“ fuziji. Ako ubrzavamo obije jezgre i sudaramo ih onda se to naziva „beam-beam“ fuzija. Ako su jezgre sastavni dijelovi plazme u blizini termalnog ekvilibrija (ravnoteže), onda govorimo o termonuklearnoj fuziji. Što je temperatura?  Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije čestica – pa se grijanjem jezgre česticama dodaje energija.  S vremenom jezgra će dobiti dovoljno energije da svlada barijeru od 0.1 MeV. Lagani račun pretvorbe elektronvolta u Kelvine daje brojku koja prelazi 1 GK (gigakelvin, milijardu kelvina) što je izuzetno visoka temperatura.

No, tu postoje i dva učinka koji smanjuju ukupnu potrebnu visinu temperature. Kako je temperatura PROSJEČNA kinetička energija čestica, statistički gledano, možemo zaključiti da će u jezgri postojati neki nukleoni čija će temperatura i premašivati  energetsku barijeru od 0.1 MeV, dok će drugi nukleoni imati mnogo nižu energiju.

Dakle, samo oni nukleoni koji se nalaze u samom vrhu energetskog „repa“ i distribucije brzine doprinose većinom fuzijskim reakcijama.

Drugi učinak je učinak (efekt) kvantnog tuneliranja. Kvantno tuneliranje omogućava da nukleoni koji nemaju dovoljno energije za svladavanje Coulombove barijere tuneliraju kroz preostalu barijeru. Iz ovog razloga i gorivo na nižim temperaturama može biti poticaj fuzijskih reakcija, s time da će se one odvijati dosta sporije.

Metode čuvanja fuzijskog goriva

Fuzijske reakcije mogu biti samoodržive ukoliko se osigura način da se dovoljna količina proizvedene energije u vidu topline usmjeri u održavanje goriva vrućim.

Poseban izazov predstavljaju načini čuvanja tako vrućeg goriva.

Gravitacijski spremnici
Jedna od slika koje mogu biti uporabljene za čuvanje vrelog goriva je i gravitacijska sila. No masa potrebna u ovom slučaju je golema te je stoga najčešće mjesto na kojem susrećemo gravitacijski spremnike zapravo svemir tj. zvijezde. Čak i da se za gorivo koristi reaktivniji deuterij, i dalje bi bila potrebna masa poput Mjesečeve da ga zadrži.

Magnetski spremnici
Kako su plazme iznimno dobri vodiči električne energije, moguće je koristiti magnetska polja da s njima zatočimo i čuvamo fuzijsko gorivo. Moguće je koristiti čitav niz različitih i posebno dizajniranih polja – zrcalna, toroidalna – s posebnim naglaskom na poznate uređaje koji se zovu Tokamak.

Inercijalni spremnici
Treći princip čuvanja fuzijskog goriva se temelji na primjeni vrlo naglog pulsa energije na velikoj površini fuzijskog goriva čime ga se potakne da ono simultano „implodira“ i zagrije se do visoke temperature uz izuzetno visok tlak. Ako je gorivo dovoljno gusto i vruće, brzina fuzije će biti dovoljno visoka da sagori značajan dio goriva prije nego se ono rasipa. Za postizanje ovih ekstremnih uvjeta, početno hladno gorivo mora biti eksplozivno stlačeno. Princip inercijalnog spremnika se koristi u hidrogenskim bombama, gdje se kao upaljač koriste rendgenske (x) zrake koje stvara fizijska bomba.  Dodatno, princip se koristi i u „kontroliranim“ nuklearnim fuzijama gdje ulogu upaljača ima laser, ioni ili snop elektrona.

Izvor: http://www.croeos.net