Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret

Fúzió

TartalomjegyzékhezVilágképem <    (Planck-időszak, Anyag-időszak)     

A magfúzió olyan magreakció, ami során két kisebb atommag egyesül egy nagyobbat eredményezve. Ez a folyamat lehet exoterm vagy endoterm, a kiinduló magok atomtömegétől függően. Az elemek közül a vas és a nikkel a legstabilabbak (ők rendelkeznek a legnagyobb fajlagos kötési energiával). Ha a fúzióban résztvevő elemek könnyebbek a vasnál, akkor a folyamat energiafölszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni.

Ez a folyamat játszódik le a csillagokban és a hidrogénbomba robbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója (endoterm voltukból kifolyólag) szélsőséges feltételeket követel, mint például a szupernóva robbanás. A természetben található elemek mind csillagokban és szupernóva robbanás közben jöttek létre.

Az atommagot az erős kölcsönhatás tartja össze, ami nukleonok között hat, nagyon rövid távolságon (10−15 m). Az atommagok nagyobb távolságokon viszont taszítják egymást, mert töltésük pozitív. Így kialakul egy potenciálgát, ami a D-T (deutérium-trícium) esetében 0,1 MeV. Hogy a fúzió megtörténjen, az atommagoknak le kell győzniük a potenciálgátat. Ezt megtehetik a plazmában, amit termonukleáris fúziónak neveznek, és a későbbiekben is erről lesz szó.

Ha átszámoljuk a 0,1 MeV-ot hőmérsékletre, akkor 109 kelvint kapunk, ami nagyon magas hőmérséklet (főleg, ha tudjuk, hogy egyik fém se nagyon bírja a 3000 kelvinnél magasabb hőmérsékletet). Ezen segít két effektus:

1.a Maxwell-féle sebességeloszlás szerint a sokkal alacsonyabb hőmérsékletű plazmában is vannak nagy megfelelő energiájú atomok (csak kevés)

2.az alagúteffektus megengedi, hogy a kisebb energiájú atommagok is átjussanak a potenciálgáton

 

Ez a két effektus sem csökkenti a kívánt hőmérsékletet emberibb értékekre. Ezért a plazmát össze kell nyomni, hogy a hőmérséklete megnőjön. Ezt három módon lehet elérni:

1.gravitációs – amikor a gáz a saját súlya alatt nyomódik össze. Ehhez azonban nagy mennyiségű gáz kell, így ez csak a csillagokban jelentkezik

2.mágneses – a plazmában szabad pozitív és negatív ionok találhatók, tehát hatnak rá a mágneses erők. Ezt használják ki a tokamak és a sztellarátor berendezések

3.inerciális – ha hirtelen sok energiát közlünk a gázzal (például lézer segítségével), akkor a gáznak nem lesz ideje kitágulni, így a hőmérséklete fog emelkedni a kívánt érték fölé. Ahhoz, hogy egy fúziós reakció energiatermelés szempontjából érdekes legyen, a következő feltételeket kell teljesítenie:

legyen exoterm

kicsi legyen a protonok száma (kevésbé taszítják egymást az atommagok) – tehát a legkönnyebb elemek között kell keresni

két kiindulási anyag legyen két reakciótermék legyen (az energia- és impulzusmegmaradás miatt) Ezek alapján a lehetséges reakciókat a következő táblázat foglalja össze:

(1) D + T              →   

4He (3,5 MeV)     

+ n (14,1 MeV)

  

(2) D + D             →   

T (1,01 MeV)        

+ p (3,02 MeV)  

   

                 

 50%

(3)                      →   

3He (0,82 MeV)    

+ n (2,45 MeV)    

     

                

 50%

(4) D + 3He         →   

4He (3,6 MeV)  

+ p (14,7 MeV)

 

(5) T + T             →   

4He                     

+ 2 n                 

+ 11,3 MeV

 

(6) 3He + 3He     →   

4He                     

+ 2 p                 

+ 12,9 MeV

 

(7) 3He + T         →   

4He                    

+ p                     

+ n               

+ 12,1 MeV

 51%

(8)                     →   

4He (4,8 MeV)     

 

+ D (9,5 MeV)

 

 43%

(9)                     →   

4He (0,5 MeV)     

    

+ n (1,9 MeV)

+ p (11.9 MeV)

   6%

(10) D + 6Li        →   

2 4He                 

+ 22,4 MeV

(11) p + 6Li        →   

4He (1,7 MeV)     

+ 3He (2,3 MeV)

(12) 3He + 6Li    →   

2 4He                 

+ p                     

+ 16,9 MeV

(13) p + 11B      →   

3 4He                 

+ 8,7 MeV

A p a közönséges hidrogént, a D a deutériumot, a T pedig a tríciumot jelöli.

Fúziós energiatermelés a csillagok belsejében.

A csillagok magjában a könnyebb elemek nehezebbé való alakulása biztosítja a folyamatos sugárzáshoz szükséges energiát. Először a hidrogén héliummá való alakulása történik, majd a csillag későbbi állapotában (vörös óriás) a mag magasabb hőmérséklete esetén következik be a nehezebb elemek fúziója egészen a vasig.

A hidrogén-hélium fúzió

A magbeli hidrogén héliummá való átalakulása két folyamat révén mehet végbe. Az egyik a proton-proton ciklus, a másik a CNO ciklus. Mindkét esetben négy hidrogénmagból lesz egy héliummag. Az energia onnan származik, hogy a négy hidrogénmag együttes tömege nagyobb mint a héliummagé. A tömegek különbsége alakul át energiává a jól ismert E=mc2 összefüggés szerint.

A hidegfúzió egy hipotetikus magfúzió, mely szobahőmérsékleten vagy közel szobahőmérsékleten menne végbe szemben a meleg fúzióval, mely néhány millió fokon következik be. A hidegfúziót egyes laboratóriumi kísérletek alatt tapasztalt szokatlan nagy energia felszabadulás magyarázatára javasolták, de a tudományos közvélemény elvetette, mivel a vonatkozó kísérleteket nem tudták megismételni és mivel nincs elfogadott elméleti modell a hidegfúzió magyarázatára. Magyarországon a téma ismert képviselője Egely György, aki műveiben azt sugalmazza, hogy a hidegfúzió bizonyítottan létező jelenség.

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Planck-időszak     

---------------------

http://hu.wikipedia.org/wiki/Magf%C3%BAzi%C3%B3

http://hu.wikipedia.org/wiki/Hidegf%C3%BAzi%C3%B3