Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Warto przeczytać

Reakcje termojądrowe, nazywane także reakcjami syntezy jądrowej lub fuzji jądrowej, polegają na łączeniu się ze sobą lekkich jąder. Mogą zachodzić aż do utworzenia się jąder żelazowców.

Reakcje te mogą zachodzić samorzutnie, z wydzieleniem energii, ponieważ jądra żelazowców mają największą energię wiązania przypadającą na nukleon.

W wyniku reakcji syntezy wydziela się energia, którą można obliczyć jako różnicę mas produktów reakcji i mas jąder wyjściowych, pomnożoną przez cIndeks górny 2  Indeks górny koniec(gdzie c to prędkość światła w próżni). Więcej na temat energii wiązania nukleonów w jądrach przeczytasz w e‑materiale „Jak obliczyć energię wiązania dla dowolnego izotopu?”.

Jądra mogą połączyć się ze sobą, jeżeli zbliżą się na odległość, przy której działają siły jądrowe (czyli na około 10Indeks górny -15  Indeks górny koniecm). W tej odległości oddziaływania jądrowe są dużo silniejsze niż odpychania elektryczne między jądrami. Dla pokonania bariery odpychania elektrycznego jądra muszą mieć dostatecznie dużą prędkość, która przejawia się dużą temperaturą materii. W naturalnych warunkach reakcja syntezy zachodzi we wnętrzu gwiazd, na przykład we wnętrzu Słońca, gdzie materia ma gęstość około 150 g cm 3 i temperaturę około 1,5 · 10Indeks górny 7 K. W warunkach tych materia jest w stanie plazmy – elektrony i jadra atomów są rozdzielone i poruszają się niezależnie.

We wnętrzu Słońca, w kilku etapach, dochodzi do połączenia czterech protonów w jądro helu:

4 1 1 H 2 4 H e + 2 1 0 e + 2 ν

10e – to pozyton, a  ν  - neutrino elektronowe.

Na Ziemi reakcje termojądrowe przeprowadzane są w bombach wodorowych, w których wykorzystuje się głownie następujące reakcje:

13H+12H24He+01n , w tej reakcji wydziela się około 17,6MeV energii;

36Li+01n24He+13H w tej reakcji wydziela się 4,8MeV.

Reakcje te tworzą samopodtrzymujący się cykl. Pierwsza dostarcza tryt dla drugiej, a druga neutrony dla pierwszej (Rys. 1.).

R1Hkox0yelwop
Rys. 1. Schemat reakcji wykorzystywanych w bombach wodorowych.
RF0AWhqcTcJvo
Rys. 2. Schemat budowy bomby wodorowej. Wybuch bomby atomowej, w której źródłem energii jest rozszczepienie uranu 92235U wytwarza warunki wystarczające do zainicjowania reakcji syntezy.

Jeżeli reakcja syntezy ma być wykorzystywana w celu wytwarzania energii, musi przebiegać w sposób kontrolowany. Kontrolowana synteza jądrowa polega na zainicjowaniu reakcji i podtrzymywaniu warunków reakcji na tyle długo, aby było możliwe wykorzystanie wydzielanej energii. Powstająca plazma musi być uwięziona w taki sposób, aby nie spowodowała zniszczeń reaktora, a wydzielająca się energia powinna być przekazywana do urządzeń, pozwalających na jej wykorzystanie.

Próby nad przeprowadzeniem reakcji syntezy w sposób kontrolowany trwają już od lat pięćdziesiątych XX wieku. Możliwe do wykorzystania reakcje syntezy zestawione są na Rys. 3.

RYnpssIslTHUI
Rys. 3. Reakcje syntezy jądrowej, które mogą być wykorzystane do produkcji energii. Przy produktach syntezy podana jest ilość wydzielonej energii w pojedynczej reakcji.

Ze względu na dostępność materiałów, największe szanse na praktyczne zastosowanie mają reakcje dwóch jąder deuteru i deuteru z trytem.

Funkcjonujący reaktor termojądrowy musi spełnić kilka warunków:

  1. Zapewnić dostatecznie dużą koncentrację cząstek wchodzących w reakcję, aby zderzenia cząstek zachodziło dostatecznie często. Ciśnienie plazmy nie może być przy tym zbyt wysokie, ponieważ utrudniałoby to jej utrzymanie - jej gęstość powinna być w przybliżeniu równa 10Indeks górny -4 gęstości atmosfery (10Indeks górny 15 cząstek w 1 cmIndeks górny 3).

  2. Utrzymanie wystarczająco wysokiej temperatury plazmy, aby energia kinetyczna cząstek była wystarczająca na pokonanie bariery odpychania elektrycznego. Plazma musi osiągnąć tak zwaną temperaturę zapłonu, przy której ilość energii wydzielonej w wyniku syntezy jest nie mniejsza niż energia odpływająca z plazmy. Dla reakcji deuter - deuter temperatura ta wynosi około 3,5·10Indeks górny 8  Indeks górny koniecK dla reakcji deuter – tryt 4,5 · 10Indeks górny 7  Indeks górny koniecK.

  3. Dostatecznie długi czas utrzymania plazmy o odpowiednio dużej gęstości i temperaturze. Należy zapewnić także, po osiągnieciu warunków syntezy, stały dopływ paliwa.

Matematyczny warunek pracy reaktora określa tak zwane kryterium Lawsona, wiążące ze sobą ilość reagujących jader w jednostce objętości – n - i czas utrzymania stanu plazmy o wystarczającej temperaturze – tau. Na przykład, dla plazmy deuterowo‑trytowej  τ n > 10 20 s m 3 . Jak do tej pory żaden z pracujących reaktorów nie spełnił tego kryterium. Udaje się już inicjować reakcje syntezy, ale ich wydajność jest zbyt mała, aby można było pozyskiwać energię do celów praktycznych.

Wydaje się oczywiste, że plazmy nie można utrzymać w żadnym naczyniu wykonanym z materii – żadna materia nie wytrzyma tak wysokiej temperatury, ponadto kontakt plazmy ze ścianami naczynia powodowałby jej stygnięcie.

Badanych jest kilka sposobów kontrolowania plazmy. Najwięcej wysiłku wkładanego jest w dwie metody: magnetyczne uwięzienie plazmy i inercyjne uwięzienie plazmy. Ponadto badana jest także tak zwana metoda polywellPolywellpolywell - łączącą cechy dwóch poprzednich - oraz kilka mniej standardowych metod: piroelektryczna, soniczna i elektrolityczna (nazywana też zimną fuzją).

Magnetyczne uwięzienie plazmy

Ponieważ plazma jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu, może być utrzymana przez silne pole magnetyczne. Naładowane cząstki w polu magnetycznym krążą wokół linii pola lub poruszają się wzdłuż nich. Jeśli linie pola są zamknięte, to cząstka staje się uwięziona w tym polu. Podstawowym typem reaktora tego typu jest TOKAMAK (z języka rosyjskiego: TOroidalnaja KAmiera s MAgnitnymi Katuszkami – toroidalna komora z cewkami magnetycznymi). Pierwsze tego typu reaktory powstały w latach pięćdziesiątych XX wieku w Związku Radzieckim. W tokamakach plazma jest uwięziona w próżniowej komorze w kształcie toroidutoroidtoroidu (Rys. 4.), za pomocą odpowiednio ukształtowanego pola magnetycznego. Pole to, działając na naładowane cząstki plazmy – jadra atomowe i elektrony - nie dopuszcza do ich kontaktu ze ścianami. Wielkość indukcji pola magnetycznego osiąga około 5 tesli, czyli pole jest około 100000 razy silniejsze od ziemskiego. Plazma może być ogrzewana dzięki indukowaniu w niej prądu lub poprzez bombardowanie cząstkami o bardzo dużej energii.

R1JSOgNab9i4W
Rys. 4. Schemat budowy reaktora typu TOKAMAK.

W reaktorze TOKAMAK układ elektromagnesów wytwarza wypadkowe pole magnetyczne w kształcie linii śrubowej. W obszar pracy plazma jest wstrzykiwana porcjami. Prąd elektryczny w plazmie jest indukowany przez transformator. Prąd płynie wzdłuż obwodu toroidutoroidtoroidu i powoduje grzanie plazmy. Wytwarzane przez prąd pole magnetyczne dodatkowo ściska plazmę, utrzymując z dala od ścian komory. Powstające w reakcji syntezy neutrony pochłaniane są przez wewnętrzną osłonę tokamaka, a ciecz chłodząca osłonę pozwala odbierać energię z reaktora.

Największym działającym urządzeniem tego typu jest Joint European Torus (JET), znajdujący się w Wielkiej Brytanii w pobliżu Culham (Rys. 5. i 6.).

R1Ztfh3PEE3UX
Rys. 5. Wnętrze reaktora JET.
R37X3Aen6ryVG
Rys. 6. Tokamak JET, widok zewnętrzny. Rozmiary reaktora można porównać z wysokością pracownika obsługi.

Obecnie budowany jest niedaleko Marsylii we Francji znacznie większy reaktor - ITER (ang.: International Thermonuclear Experimental Reactor – Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny).

R4tVhkdCCr9wf
Rys. 7. Schemat reaktora ITER.

Inercyjne uwięzienie plazmy

Polega na wytworzeniu plazmy i uzyskaniu reakcji syntezy dzięki impulsowi zewnętrznemu. Paliwo, zazwyczaj mieszanina trytu i deuteru, jest umieszczane w niewielkich, sferycznych kapsułkach o średnicy kilku milimetrów. Energia dostarczana jest ze wszystkich stron w impulsie o dużej wartości energii – około 10Indeks górny 6  Indeks górny koniecJ - i o bardzo krótkim czasie trwania, około 10Indeks górny -8  Indeks górny koniecs (Rys. 8.). Energia dostarczana z zewnątrz powoduje w pierwszym etapie gwałtowne odparowanie warstwy zewnętrznej. Powstająca przy tym procesie fala uderzeniowa powoduje ściśnięcie paliwa do stanu, w którym staje się możliwa reakcja syntezy. Inny wykorzystywany typ otoczki zewnętrznej może emitować pod wpływem zewnętrznego impulsu energii promieniowanie rentgenowskie, które powoduje ściśnięcie i rozgrzewanie paliwa.

R15rRkNM42Uw2
Rys. 8. Schemat wywołania reakcji jądrowej w metodzie inercyjnego uwięzienia plazmy. Zewnętrzny impuls energii, zazwyczaj światła laserowego, powoduje sprężenie paliwa do stanu umożliwiającego reakcję syntezy.

W reaktorach tego typu reakcja zachodzi gwałtownie, w całym paliwie zawartym w kapsułce, w sposób wybuchowy. Stwarza to niebezpieczeństwo uszkodzenia elektrowni. Teoretycznie możliwe jest jednak bezpieczne i stabilne wytwarzanie energii, jeśli reakcja będzie wywoływana kilka razy na sekundę, w niewielkich porcjach paliwa. Konieczne jest przy tym niezależne wzbudzanie reakcji syntezy w każdej porcji.

Zewnętrznym źródłem energii są zazwyczaj silne impulsy światła laserowego, może też nim być wiązka wysokoenergetycznych jonów lub elektronów.

RfBNI6YNOLcgR
Rys. 9. Przykład eksperymentalnego reaktora termojądrowego wykorzystującego inercyjne uwięzienie plazmy. Masa reaktora wynosi około 120 ton, średnica 10 metrów. Reaktor zaprojektowany przez Wszechzwiązkowy Instytut Badawczy Fizyki Eksperymentalnej w Rosji.
RVcagwONoci9T
Rys. 10. Wzmacniacz laserowy z laboratorium NIF (National Ignition Facility) w USA, umożliwiający wytworzenie impulsu światła laserowego o mocy 500 TW (terawatów). Światło zaabsorbowane przez otoczkę kapsuły z paliwem wzbudzałoby emisję promieniowania rentgenowskiego, które sprężałoby i podgrzewało paliwo, inicjując syntezę.

Prace nad kontrolowaną syntezą jądrową są kontynuowane ze względu na jej liczne zalety jako źródła energii. Tymi zaletami są między innymi:

  • praktycznie nieograniczona ilość paliwa,

  • nie wytwarzane są gazy cieplarniane,

  • duża wydajność reakcji syntezy,

  • praktycznie brak odpadów radioaktywnych,

  • małe prawdopodobieństwo wybuchu w wyniku awarii ze względu na bardzo małe ilości paliwa poddawanego jednocześnie reakcji.

Słowniczek

Megaelektronowolt - MeV
Megaelektronowolt - MeV

(ang.: megaelectronvolt) jednostka energii stosowana przy opisie cząstek elementarnych 1MeV =10Indeks górny 6eV=10Indeks górny 6·1,6·10Indeks górny -19J=1,6·10Indeks górny -13J

Polywell
Polywell

(ang.: polywell) koncepcja urządzenia pozwalającego na wykorzystanie syntezy jądrowej jako źródła energii, w którym energię jonom dostarcza pole elektrostatyczne, a plazma jest uwięziona magnetycznie i elektrostatycznie. Nazwa polywell (czyli kolokwialnie „wielostudnia”) jest hybrydą słów polyhedron (po angielsku wielościan) oraz potential well (studnia potencjału).

toroid
toroid

(ang.: toroid) bryła geometryczna w kształcie pierścienia. Powstaje poprzez obrót dowolnej figury geometrycznej - np. prostokąta, okręgu, trójkąta - dookoła osi leżącej poza tą figurą i nieprzecinającą tej figury. Jeśli obracaną figurą jest okrąg, wówczas powstała bryła nosi nazwę torusa (Rys. 11.).

R1DDLpuOyaSfD
Rys. 11. Klasyczny toroid - torus. Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Toroid