Термонуклеарна фузија
Нуклеарна енергија може да се ослободи и при спајању атомских језгара лаких елемената у једно ново, теже атомско језгро. Ова процес се назива нуклеарна фузија.
Да би се остварила нуклеарна фузија, у којој се лакша језгра спајају у тежа, потребно је да се језгра доведу на врло мало растојање (мања од 10-15 метара). Тада међу њима почиње да делује привлачна јака нуклеарна сила. Али, пошто су језгра наелектрисана позитивно, потребно је савладати огромну Кулонову силу одбијања истоимених наелектрисања (Кулонова баријера), која је утолико већа уколико су растојања међу честицама мања. Један од услова је да се честице крећу великим брзинама, од више стотина километара у секунди. Такве брзине могу се реализовати на температурама које су реда величине 107 К (термонуклеарна фузија). Уколико су термалне брзине мале, честице ће се расејавати пре него што доспеју до растојања на којима привлачна сила постаје јача од одбојне Кулонове силе. За фузију два протона потребне су енергије од 1MeV. Гас може да има и више температуре, при чему ће већи број честица (протона) учествовати у реакцији.
Пример:
– Два протона и два неутрона би могли да образују језгро хелијума, али је потребно да се та четири нуклеона приближе један другом на врло мало растојање, јер на том малом растојању делују привлачне нуклеарне силе неопходне за формирање језгра.
– Једна реакција фузије која обећава је стапање тешких изотопа водоника, деутеријума и трицијума. У реакцији настаје језгро хелијума и један неутрон, а ослобађа се огромна количина енергије.
Коришћење нуклеарне фузије остварено је досада само у термонуклеарним бомбама – водоничне или хидрогенске.
Процеси фузије непрекидно теку у унутрашњости звезда. У звездама владају велике температуре и огромни притисци. При оваквим условима у звездама не постоје ни атоми ни молекули, већ само огољена језгра и слободни електрони. Овакво, посебно стање супстанције назива се плазма.
Фузија се у природи дешава у звездама, које на тај начин производе енергију. Када настану, звезде се састоје углавном од водоника, а његовом фузијом у хелијум звезда производи енергију док се налази у својој стабилној фази.
Следећа релација би била најједноставнији пример фузионе реакције:
Са Е је обележена енергија која се ослобађа при овом процесу.
У процесу нуклеарне фузије два лака језгра у једно ново језгро ослобађа се већа енергија по једном нуклеону него при нуклеарној фисији.
Пример: Стварање језгра хелијума фузијом деутеријама и трицијума уз ослобађање неутрона:
Укупна енергија ослобођена у овој реакцији износи око 17,6MeV, односно 3,5MeV по нуклеону. При фисији језгра атома урана издваја се укупна енергија око 200MeV, што износи око 0,85MeV по нуклеону. Значи, при фузији се ослобађа око четири пута већа енергија по нуклеону.
Да би дошло до реакције фузије потребно је да се почетно гориво налази у условима изузетно високе температуре и огромног притиска.
Пошто услове који владају у средишту звезда не можемо да створимо на Земљи, оно најбоље што можемо да урадимо јесте да убрзамо што већи број језгара и да их при томе међусобно сударамо.
Стање материје коју чине атомска језгра у том случају називамо плазмом. У таквим сударима може доћи до фузије, али још није познато како би се брза језгра која чине плазму могла држати на окупу.
Немогућност ефикасног задржавања плазме у термонуклеарним реакторима основни је проблем изградње нуклеарних реактора на принципу фузије.
Током последњих деценија било је више покушаја да се направи токамак, уређај који магнетним пољем задржава плазму у облику торуса (облик аутомобилске гуме или ђеврека).
Процењује се да је тај облик најпогоднији за контролисање плазме у којој се одвија фузија, али је изградња таквог уређаја повезана с великим технолошким проблемима.
Године 2010. отпочета је изградња највећег светског токамака у месту Кадараш у Француској.
Требало би да енергија добијена фузијом по килограму утрошеног горива буде много већа него код фисионих реактора. Ипак, основне предности фузије у односу на друге изворе енергије били би много мање загађење околине и неупоредиво веће залихе горива (деутеријума или литијума). С данашњом потрошњом електричне енергије литијума има довољно за сто милиона година, а деутеријума за још много више.
У фузионим ( водоничним, хидрогенским или термонуклеарним ) бомбама потребна почетна температура и почетни притисак се стварају експлозијом фисионе ( атомске, уранијумске, плутонијумске или нуклеарне ) бомбе, као упаљача.
Додатак:
| Нуклеарни реактори | Физика атомског језгра |