A magfúzió így működik az energiaigényünk megoldására törekvő technológia
Steve Cowley a világ egyik vezető hatósága nukleáris fúzió. Nem sok évvel ezelőtt volt alkalmam találkozni vele, Madridban, az egyik konferencián, amelyet az egész bolygón ad, hogy terjessze, hogy ez a technológia milyen mértékben járulhat hozzá a emberi energiaigény.
Üzenete mélyreható. Lehetetlen hallgatni rá, anélkül, hogy megfertőződne a lelkesedésétől, és mindenekelőtt anélkül, hogy mélyen vonzódna a magfúzióhoz, amelynek erős védője. És e brit elméleti fizikus szerint csak ez a technológia képes megoldani az energiaválságot amelyben már elmerültünk, és ez a következő évtizedekben tovább fog növekedni. Ő vagy az ígérete? Tiszta, biztonságos és gyakorlatilag korlátlan energia. De annak lehetővé tétele érdekében még mindig sok kihívást kell megoldani.
Nem minden nukleáris egyforma
Mielőtt bármilyen részletesen megnéznénk a magfúzió működését, érdemes megállni, hogy lássuk, milyenek egyformák. magfúzió és hasadás, és azt is, hogy miben különböznek egymástól. Valami nyilvánvaló közös vonásuk van: mindkettő olyan nukleáris reakció, amelynek célja az atom magjában lévő energia felszabadítása.
Mindkét esetben az energia hő formájában szabadul fel, és az atomerőműveken belül egy hatalmas tározóban lévő vízbe kerül, hogy magas hőmérsékleten gőzt képezzen, amelyet azonnal felhasználni kell egy sor turbinák, amelyek mozgása elektromos energiát fog termelni hogy később felhasználjuk.
Ha megnézzük ezt a folyamatot, láthatjuk, hogy egyértelműen teljesíti a Az energia megőrzésének elve amiről mindannyian hallottunk, legalábbis iskolás korunkban, és amelyet olyan tudósok munkájának köszönhetünk, mint például a milétoszi Thales, a Galileo, a Leibniz vagy a Newton. Ez a törvény azt mondja, hogy az energiát nem hozzák létre és nem semmisítik meg, hanem egyszerűen átalakulnak az egyik energiaformából a másikba. Ennek az elvnek az a fontos következménye, hogy a rendszer teljes energiája állandó marad, tehát minden átalakulás előtt és után ugyanaz.
Ha visszatérünk arra, ami valóban fontos számunkra, atomerőművünkre, láthatjuk, hogy az atom magjában lévő energia hő formájában felszabadul (így kapjuk meg hőenergia), függetlenül attól, hogy a hasadási vagy a magfúziós eljáráshoz folyamodunk-e. Pontosan ez a feladata az atomreaktornak: az atomokban található atomenergia átalakítása hőenergiává.
Közvetlenül ez utóbbi energiaforma után a tartályban lévő víz egy része elpárolog, magas nyomáson gőznek tűnik, ezért Kinetikus energia, amelyet a testek mozgásuk miatt birtokolnak. A mozgó vízgőz mozgási energiája átalakul mechanikus energia az atomerőmű turbináinak elforgatásával, és végül újra átalakul, ezúttal elektromos energia, egy generátor működésének köszönhetően, amely többek között az otthonunkba jutó áram előállításáért is felelős.
Két különböző stratégia
Amint az imént láttuk, mind a maghasadást, mind a magfúziót alkalmazó reaktor közvetlen funkciója pontosan ugyanaz: vízgőzt termelni magas hőmérsékleten, a folyamat végén, a folyamat végén és az átalakításokon keresztül, amelyeket most láttam, elektromos energiát termelnek.
Érdekesség, hogy az olajat, szenet vagy gázt üzemanyagként használó erőművek működési alapelve pontosan ugyanaz: a tárolóban lévő víz felmelegítése gőz előállításához és turbina meghajtásához.
Az összes kereskedelmi atomreaktor, amelyet ma használunk, hasadást használ, nem pedig magfúziót.
Itt következnek a hasadás és a magfúzió közötti hasonlóságok. A jelenleg használt atomerőművek maghasadáshoz folyamodni, és nem az egyesülés. Kivétel nélkül. Ez annak az oka, hogy bár a kísérleti reaktorok már megmutatták nekünk, hogy a magfúzió működik, ez egy olyan összetett folyamat, hogy amint később látni fogjuk, a fizikusok és mérnökök még nem találtak módot arra, hogy a fúziós reakció stabilan viselkedjen egy hosszú idő.
Ez azt jelenti, hogy a fúzió nem tartható fenn nagyon hosszú ideig pozitív energiamérleg mellett (a folyamat eredményeként több energia nyerhető, mint amennyi az indításához szükséges beruházáshoz szükséges), és teljesen ellenőrzött módon.
És az a tény, hogy ha a maghasadás célja az atom magját "hasító" energia megszerzése, akkor az a magfúzióé két fénymagot összekötve hogy egy nehezebbet alkosson. És a mai napig sokkal pontosabban tudjuk, hogyan lehet a hasadást ellenőrzött módon végrehajtani.
Maghasadás, részletesen
Mint fentebb néhány sort láttunk, ez a folyamat, amelyet jelenleg az atomerőművekben használnak, abból áll megtörni egy atom magját két vagy több magban, hogy felszabadítsa a benne lévő energia egy részét. De nem oszthatjuk szét egyetlen atom magját sem. Elméletileg meg lehet csinálni, de a gyakorlatban az az érdekes, hogy viszonylag "könnyen és olcsón" megtörhető atomot használjunk. És az urán 235-ös.
Az urán olyan kémiai elem, amelyben megtalálhatjuk a természetben nagyon alacsony koncentrációk, általában sziklákon, talajon és vízen. Ezért előállítása drága és kezelési összetettsége, mivel olyan kémiai folyamatokat kell végrehajtani, amelyek képesek elválasztani a többi elemtől és szennyeződéstől, amelyekkel általában él. 92 protonja van, és annyi elektron kering a sejt körül, és ez utóbbi a protonokon kívül 142 és 146 neutron között van.
Fontos megjegyezni, hogy az atom magja általában bizonyos számú protonból és neutronból áll (bár nem mindig: a protiumnak, a leggyakoribb hidrogén-izotópnak csak egy protonja van, és a neutronja nincs a magjában), mint a körülötte keringő elektronok. Az a tény, hogy az uránmagban a neutronok száma változhat, amint az imént láttuk, ezt elmondja nekünk több izotóp van ennek a kémiai elemnek a tartalma, amelyek nem mások, mint azonos számú proton és elektron, de eltérő számú neutron.
Az oka annak, hogy a maghasadásos reaktorokban egy urán 235 atomot használnak, és nem ennek az elemnek vagy bármely más kémiai elemnek egy másik izotópját, az az, hogy amikor magját neutronnal bombázzák (ez a folyamat kiváltotta hasadás) az urán 235 átalakul 236 uránná, amely instabil elem. Ez egyszerűen azt jelenti, hogy az urán 236 nem maradhat sokáig jelenlegi állapotában, ezért két magra oszlik, az egyik a bárium 144-re, a másik pedig a 89-es kriptonra, és emellett két vagy három neutront bocsát ki.
És itt van az igazán érdekes dolog: a bárium 144 és a kripton 89 magjainak tömegének összege valamivel kevesebb, mint az urán 236 magjánaké, amelyből származnak (az eredeti tömeg körülbelül 0,1% -a "eltűnik"). Hová tűnt a hiányzó tömeg? Csak egy válasz van: energiává alakult át. Az E = mc 2 képlet, amely valószínűleg a legnépszerűbb a fizika történetében, a tömeget és az energiát kapcsolja össze, és egyszerűen azt mondja, hogy egy bizonyos tömegmennyiség egyenlő egy bizonyos mennyiségű energiával, annak ellenére, hogy a tömeg nyugalomban van.