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 koniec² (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 koniec^-15 m). 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$\frac{\text{g}}{{\text{cm}}^3}$ i temperaturę około 1,5 · 10Indeks górny 7⁷ 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:

$4_1^{1}H{\to }_2^{4}He+2_1^{0}e+2\nu$

${}_1^{0}e$ – to pozyton, a $\nu$ - neutrino elektronowe.

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

${\displaystyle {}_1^{3}H{+}_1^{2}H{\to }_2^{4}He{+}_0^{1}n}$ , w tej reakcji wydziela się około 17,6MeV energii;

${\displaystyle {}_3^6\mathrm{Li}{+}_0^{1}n{\to }_2^{4}He{+}_1^{3}H}$ 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. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat reakcji jądrowej wykorzystywanej w bombach wodorowych. Po lewej stronie ilustracji widoczna jest Zielona kulka podpisana małą literą n. Jest to neutron. Neutron porusza się w prawą stronę, o czym świadczy Czerwona pozioma strzałka skierowana w prawo. Neutron pada na jądro litu indeks górny cyfra sześć, indeks dolny cyfra trzy, wielka litera L i mała litera i. Jądro litu widoczna jest w postaci sześciu kulek, trzech zielonych i trzech czerwonych znajdujących się w fioletowej obwiedni w kształcie koła. Zielone kulki to neutrony, a czerwone protony. Jądro litu rozpada się na dwie części. Jedną z nich jest cząstka mała grecka litera alfa. Cząstkę wielką literą alfa tworzą dwa neutrony i dwa protony. Neutrony i protony widoczne w postaci zielonych i czerwonych kulek otoczone są zieloną obwiednią w kształcie koła. 2 produktem rozpadu jądra litu jest trytek litu. Trytek litu mała litera t widoczny jest w postaci dwóch zielonych kulek i jednej czerwonej. Nukleony trytu otoczone są czerwoną od Wiedniu w kształcie koła. Trytek litu jako produkt rozpadu jądra litu może powstać tylko wtedy, gdy zostanie do niego dołączane jądro deuteru litu. Jądro deuteru litu mała litera d widoczne jest w postaci jednego neutronu i jednego protonu otoczonego niebieską obwiednią w kształcie koła. Trytek litu w połączeniu z deuterem litu rozpada się na kolejne dwa produkty. Jednym z produktów jest cząstka mała grecka litera alfa widoczna w postaci dwóch protonów i dwóch neutronów otoczonych zieloną obwiednia w kształcie koła. Innym produktem powstałym w tej reakcji jest neutron widoczny w postaci zielonej kulki podpisanej małą literą n.

RF0AWhqcTcJvo

Rys. 2. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat budowy bomby wodorowej. Bomba wodorowa widoczna jest w postaci szarego, cylindrycznego kształtu ustawionego pionowo, z ostrym zakończeniem u dołu. W górnej części bomby widoczny jest wirnik wykorzystywany do sterowania bombą w trakcie lotu. W środkowej części bomby widoczny jest niesymetryczny otwór ukazujący jej wnętrze. Wewnątrz bomby wodorowej znajduje się szara kula, w której prawej części widoczny jest jej przekrój. W przekroju kuli widoczne są cztery warstwy przypominające płaszcze i jądro. Jądro kuli jest koloru czerwonego i podpisano je jako bomba atomowa jako zapalnik. Jądro pokryte jest ciemnofioletowym płaszczem podpisanym, jako deuter litu lub jego mieszanka z trytkiem litu. Kolejny płaszcz jest koloru jasnoniebieskiego. Podpisano go jako reflektor neutronów. Zewnętrzny płaszcz jest koloru jasnofioletowego i podpisano go, jako płaszcz naturalnego uranu, w którym zawartość uranu dwieście trzydzieści osiem to ponad dziewięćdziesiąt dziewięć procent.

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. Ilustracja przedstawia osiem równań opisujących reakcje syntezy jądrowej, które mogą zostać wykorzystane do produkcji energii. Równania zapisane są jedno nad drugim. Pierwsze od góry równanie opisuje reakcję syntezy jądrowej dwóch jąder deuteru wielka litera D dodać wielka litera D , z których powstaje jądro Trytu wielka litera T i jądro wodoru wielka litera H oraz cztery i cztery setne megaelektronowolta energii. Drugie od góry równanie opisuje reakcję syntezy jądrowej dwóch jąder deuteru wielka litera D dodać wielka litera D , z których powstaje jądro Helu wielka litera indeks górny cyfra trzy i wielka litera H i mała litera e oraz neutron mała litera n oraz trzy i dwadzieścia siedem setnych megaelektronowolta energii. Trzecie od góry równanie opisuje reakcję syntezy jądrowej jądra Deuteru wielka litera D i jądra Trytu wielka litera T, z których powstaje jądro Helu indeks górny cyfra cztery i wielka litera H i mała litera e oraz neutron mała litera n oraz siedemnaście i pięćdziesiąt osiem megaelektronowolta energii. Czwarte od góry równanie opisuje reakcję syntezy jądrowej jądra Deuteru wielka litera d i jądra Helu indeks górny cyfra trzy i wielka litera H i mała litera e, z których powstaje jądro Helu indeks górny cyfra cztery i wielka litera H i mała litera e oraz neutron mała litera n i osiemnaście i trzydzieści siedem setnych megaelektronowolta energii. Piąte od góry równanie opisuje reakcję syntezy jądrowej, w które z dwóch jąder Trytu wielka litera T dodać wielka litera T powstaje jądro Helu indeks górny cyfra cztery wielka litera H i mała litera e oraz dwa neutrony cyfra dwa i mała litera n oraz jedenaście i trzydzieści jeden setnych megaelektronowolta energii. Szóste od góry równanie opisuje reakcję syntezy jądrowej, w której z jądra Wodoru wielka litera H i jądra Litu indeks górny cyfra sześć i wielka litera L i mała litera i powstaje jądro helu indeks górny cyfra cztery i wielka litera H i mała litera e oraz jądro helu indeks górny cyfra trzy i wielka litera H i mała litera e oraz trzy i dziewięć dziesiątych megaelektronowolta energii. Siódme od góry równanie opisuje reakcję syntezy jądrowej, w której z jądra wodoru wielka litera H i jądra Boru indeks górny liczba jedenaście i wielka litera B powstają trzy jądra Helu indeks górny cyfra cztery i wielka litera H i mała litera e oraz osiem i sześćdziesiąt osiem setnych megaelektronowolta energii. Ósme od góry równanie opisuje reakcję syntezy jądrowej, w której z jądra Deuteru wielka litera D i jądra litu indeks górny cyfra sześć i wielka litera L i mała litera i powstają dwa jądra helu cyfra dwa indeks górny cyfra cztery i wielka litera H i mała litera e oraz dwadzieścia dwa i trzy dziesiąte megaelektronowolta energii.

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^-4 gęstości atmosfery (10Indeks górny 15¹⁵ cząstek w 1 cmIndeks górny 3³).

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 koniec⁸ K dla reakcji deuter – tryt 4,5 · 10Indeks górny 7  Indeks górny koniec⁷ K.

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 – τtau. Na przykład, dla plazmy deuterowo‑trytowej $\tau n>{10}^{20}\frac{\text{s}}{{\text{m}}^3}$. 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. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat budowy reaktora typu wielkimi literami TOKAMAK. W centralnej części ilustracji widoczny jest toroidalny szary kształt, pusty w środku. Jest to komora próżniowa. Wokół Komory próżniowej widoczne są prostokątne ramki koloru niebieskiego, które stanowią rdzeń transformatorów. Na rdzeń transformatorów nawinięty jest przewodnik widoczny w postaci nawiniętego spiralnie żółtego drutu. Na komorę próżniową nawinięte jest uzwojenie toroidalne widoczne w postaci szarego grubego drutu. Nawinięto go spiralnie na toroidalny kształt. Wewnątrz komory próżniowej widoczny jest mniejszy żółto czerwony toroid. Symbolizuje on kołowy prąd plazmowy powstały wewnątrz komory próżniowej. Kołowe pole magnetyczne skierowane jest na zewnątrz toroidu symbolizującego prąd plazmowy. Toroidalne pole magnetyczne widoczne jest w postaci strzałek biegnących przeciwnie do ruchu wskazówek zegara po toroidzie symbolizującym prądy plazmowe. Wypadkowe pole spiralne widoczne jest w postaci falki biegnącej wzdłuż toroidu symbolizującego prąd plazmowy. Przeciwnie, do ruchu wskazówek zegara.

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. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczne jest wnętrze reaktora termojądrowego typu JET. Wnętrze reaktora termojądrowego to pomieszczenie w kształcie toroidu. Ściany oraz sufit pomieszczenia pokryte są prostokątnymi metalowymi płytkami. Pośrodku pomieszczenia widoczny jest cylindryczny, pionowo ustawiony słup. Powierzchnia boczna słupa również pokryta jest prostokątnymi metalowymi płytkami.

R37X3Aen6ryVG

Rys. 6. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczny jest z zewnątrz reaktor typu wielkimi literami TOKAMAK JET. Na zdjęciu widocznych jest siedem pomarańczowych i ustawionych pionowo prostokątnych i żelaznych ramek. Stanowią one rdzeń transformatora. Wewnątrz widoczny jest cylindryczny obiekt wykonany z metalu, którym jest komora próżniowa. Wokół urządzenia widocznych jest wiele metalowych rur służących do chłodzenia oraz przewodów i innych elementów konstrukcyjnych.

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

R4tVhkdCCr9wf

Rys. 7. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat reaktora opisywanego wielkimi literami ITER będącego skrótem od angielskiego International Thermonuclear Experimental Reactor. W centralnej części ilustracji widoczny jest przekrój reaktora. Reaktor widoczny jest w postaci cylindrycznego ustawionego pionowo ciemnego obiektu. Wzdłuż pionowej osi symetrii cylindra przebiega centralna Cewka indukcyjna, stanowiąca obwód pierwotny transformatora. Obwodem wtórnym jest plazma. Wewnątrz reaktora wokół pionowej osi symetrii widoczne są cewki toroidalnego i poloidalnego pola magnetycznego. Wytwarzają one silne pole magnetyczne o indukcji rzędu 5 tesli, czyli sto tysięcy razy większe od pola magnetycznego Ziemi, ogranicza ono plazmę i izoluje ją od ścian komory próżniowej. Cewki te nawinięte są na komorę próżniową, widoczną w postaci toroidu wokół pionowej osi symetrii reaktora. Komora próżniowa, której zadaniem jest izolowanie obszaru plazmy od powietrza, otoczona jest płaszczem, w którym znajduje się lit. Płaszcz ten nazywa się blanketem. Wewnątrz Komory próżniowej widoczna jest również szara rurka, wychodząca na zewnątrz. Nazywana jest ona diwertorem, a jej zadaniem jest usuwanie zanieczyszczeń i helu z Komory próżniowej. Jest to jedyny obszar, w którym świadomie dopuszcza się do kontaktu plazmy wewnątrz reaktora z powierzchniami materialnymi. Cewki oraz komora próżniowa otoczone są kriostatem. Kriostat jest schłodzony do temperatury około minus dwustu stopni Celsjusza, co zapewnia utrzymanie roboczej temperatury cewek nadprzewodzących do około minus dwustu sześćdziesięciu dziewięciu stopni Celsjusza.

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 koniec⁶ J - i o bardzo krótkim czasie trwania, około 10Indeks górny -8  Indeks górny koniec^-8 s (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. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat wywołania reakcji jądrowej w metodzie inercyjnego uwięzienia plazmy. Na rysunku widoczny jest przekrój kuli o czarnym rdzeniu i dwóch płaszczach pokrywających go. Wewnętrzny płaszcz pokrywający rdzeń jest koloru czerwonego, a zewnętrzny żółtego. Przekrój podpisany jest jako kula paliwa. Wokół obwodu przekroju widoczne są czarne strzałki skierowane centralnie do środka. Strzałki otaczają przekrój z każdej strony. Symbolizują one silne strumienie energii. 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. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym zaprezentowany jest przykładowy eksperymentalny reaktor termojądrowy, wykorzystujący inercyjne uwięzienie plazmy. Na zdjęciu widoczne jest pomieszczenie ogromnego hangaru o szarych ścianach. W centralnej części ilustracji widoczna jest kula koloru szarego, którą jest reaktor. Powierzchnia reaktora pokryta jest wieloma wentylatorami, zapewniającymi chłodzenie. Masa przedstawionego reaktora to około sto dwadzieścia ton. Jego średnica to dziesięć metrów. Przedstawiony na zdjęciu reaktor zaprojektowany został przez Międzyzwiązkowy Instytut Badawczy Fizyki Eksperymentalnej w Rosji.

RVcagwONoci9T

Rys. 10. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczny jest wzmacniacz laserowy z laboratorium wielkimi literami NIF. Wzmacniacz umożliwia wytworzenie impulsu światła laserowego o mocy pięciuset terawatów. Na ilustracji widoczne jest długie pomieszczenie. Wzdłuż ścian pomieszczenia biegną stalowe rury. Na końcu pomieszczenia widoczne są drzwi, a w nich mniejsze pomieszczenie. Wewnątrz mniejszego pomieszczenia widoczny jest cylindryczny, ustawiony pionowo obiekt. Na widocznej ścianie cylindrycznego obiektu widoczne jest okno wewnątrz którego widać jasnoniebieski rozbłysk. Rozbłysk pochodzi od kapsuły z paliwem. Światło skupione na otoczce kapsuły z paliwem wzbudza emisję promieniowania rentgenowskiego, które spręża i podgrzewa paliwo inicjując syntezą.

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

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. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest klasyczny toroid, inaczej zwany torusem. Na ekranie widoczny jest niebiesko biały kształt przypominający leżący w płaszczyźnie poziomej obwarzanek.