Magfúzió-Magegyesülés Juhász Csilla ¼
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 legstabilabb (ezek rendelkeznek a legnagyobb fajlagos kötési energiával). Ha a fúzióban részt vevő 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.
Felfedezése A tudósok sokáig azt feltételezték, hogy a Nap közönséges égésből nyeri az energiáját, és az ebből eredő fényt és hőt sugározza szét. A 19. században néhány tudós (köztük Lord Kelvin) vitatta ezt. Kelvin számításai szerint gravitációs összehúzódásból is eredhetne a kisugárzott energia, azonban ez a folyamat néhány millió év alatt véget is érne. Einstein 1905-ös híres képlete, az E = mc2 szerint azonban az anyag kicsiny mennyisége is óriási energiává alakítható át.
1919-ben egy amerikai csillagász, Henry Russell matematikailag leírta azt a fizikai folyamatot, melynek során a Nap hidrogénatomjai egyesülnek, ennek során hélium atommagok és óriási energia keletkezik. A folyamat neve magfúzió. Az elméletet 1920-ban Francis Aston csillagász mérései erősítették meg. 1939-ben Hans Bethe német fizikus részletes matematikai levezetéssel leírta, hogyan lehetne a folyamatot a Földön is megvalósítani, és fúziós reaktort létrehozni. Ehhez Bethe számításai szerint a hidrogénatomok hőmérsékletét 100 millió °C fölé kell emelni, és olyan kis térrészbe összenyomni, hogy a hidrogénatomok összeütközzenek és hélium jöjjön létre. A kivitelezés korlátja az, hogy nem létezik olyan anyag, ami ezt a magas hőmérsékletet kibírná. 1948-ban dr. Lyman Spitzer létrehozta a Princetoni Egyetemen a Plazmafizikai Laboratóriumot.
Hamar rájött, hogy a fúziós reakciót mágneses térrel tudja kordában tartani. Egy toroid alakú csövet elektromos tekercsekkel vett körül, amik mágneses teret hoztak létre, így a hidrogéngáz nem érintkezett a cső falával. Közben lézerrel adtak át energiát a hidrogénnek, amelynek hőmérséklete több millió fokra emelkedett. Az elrendezéssel az volt a probléma, hogy a csövet körülvevő mágneses tekercsek a cső belső falánál sűrűbben voltak elhelyezve, mint a cső külső oldalán. Ez ahhoz vezetett, hogy a belső oldalon erősebb mágneses tér alakult ki, emiatt a hidrogénatomok a cső külső oldala felé vándoroltak, majd közel fénysebességgel távoztak a berendezésből.
Erre a problémára Spitzer felfedezett egy megoldást Erre a problémára Spitzer felfedezett egy megoldást. A csövet középen mintegy „megtekerve” 8-asra emlékeztető alakzatot hozott létre. A benne keringő hidrogén így az idő egy részében a cső belső fala mentén, az idő további részében a külső fal mentén halad, így nem alakulnak ki eltérések a mágneses térben, a hidrogént egyenletesebb tér vette körül. 1951-re Spitzer befejezte az első hidrogénplazma-fúziós reaktor munkálatait, amit stellaratornak nevezett el (stella = csillag, latinul). Első alkalommal csupán a másodperc törtrészéig működtette a berendezést, mert nem volt biztos abban, hogy nem fog-e hidrogénbombaként felrobbanni. Egy fél másodpercre a hidrogéngáz szupernovaként ragyogott fel, és hőmérséklete elérte a 40 millió °C-ot. A 60 cm átmérőjű berendezés mindössze 2 másodpercig működött, majd a folyamat leállt, a plazma kihűlt. A kísérlet legfontosabb eredménye az, hogy megmutatta, a fúziós reakciót a Földön is elő lehet állítani.
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: a Maxwell-féle sebességeloszlás szerint a sokkal alacsonyabb hőmérsékletű plazmában is vannak nagy megfelelő energiájú atomok (csak kevés) 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: gravitációs – amikor a gáz a saját súlya alatt nyomódik össze. Ehhez azonban nagy mennyiségű gáz kell, így ez csak a csillagokban jelentkezik mágneses – a plazmában szabad pozitív és negatív ionok találhatók, tehát hatnak rá a mágneses erők. Ezt használják ki a tokamak és a sztellarátor berendezések 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)
Fontossága Mint alternatív energiaforrásnak, a fúziós reaktornak számos előnye van: Az egész világon mindenhol igen hosszú ideig rendelkezésre áll az alacsony költségű alapanyag, a hidrogén, ezért gyakorlatilag végtelen energiaforrásnak tekinthető Nem járul hozzá savas eső létrejöttéhez Nem növeli az üvegházhatású gázok mennyiségét Nincs „megfutási” veszély, ami egyes atomreaktorok esetén fennáll A melléktermékek nem használhatók fel fegyvergyártáshoz Minimális környezetszennyezési problémát okoz