Magfúzió a Földön: animációk magyarázatokkal ✔️

Most animations on this page are from EFDA's Animations page. Special thanks to Örs Benedekfi and his team for their helpfulness.
Az oldalon található GIF animációkat/demókat Flash animációk alapján készítettem, melyek forrása az EFDA animációs weboldala volt, mely már eltűnt a Netről. Külön köszönet Benedekfi Örsnek és csapatának segítőkészségükért. Az animációk swf fájljait ide kattintva 📥 töltheted le offlájn használatra egy zippelt mappában. Némelyik animáció angol és magyar változatban is megvan. Hogy melyik swf mit csinál, annak kiderítését rád bízom. Könnyen kiderítheted, ha összeveted az alábbi GIF-ekkel.

Az animációk egy részét külön oldalakon is meg lehet tekinteni az Asimov Téka nevű gyűjteményemben, ahová ez az oldal is tartozik. Azért mutatom be őket együtt is, mert így könnyebben válogathatnak közülük tanártársaim, ha pl. középiskolásokkal akarják ismertetni a fúziós energiatermelés alapfolyamatait és a technikai nehézségeket.

Az atom

A közönséges anyag atomokból áll. Minden atom egy pozitív atommagot tartalmaz, mely körül negatív elektronok “mozognak”, ill. vannak. Az animáció ezt a “mozogást” keringésként ábrázolja. A mag pozitív töltésű protonokból és semleges (töltés nélküli) neutronokból épül fel.

A mag sokkal kisebb az atomhoz képest, mint ahogy azt egy animációval szemléltetni lehetne. Ha egy nagy terem közepén lebegő muslincára gondolunk, akkor közelebb járunk a valóságos méretarányhoz. Vagy hogy egy aktuálisabb példával szolgáljak, miközben ezt a szöveget írom: Ha a magot egyetlen pixel ábrázolná a képernyőm közepén, akkor a képernyőmet (mely 1680×1050 pixel felbontású) egy 10×10-es képernyőmátrix közepén kellene elképzelni ahhoz, hogy az egész atom elférjen a képernyők együttesén.

Ilyen arányok mellett nem csoda, hogy az atom elektronburka olyan hatékony “lökhárító” a magok számára. Amikor két atom normális körülmények között egymásnak ütközik, a magjaik elképesztően messze vannak még egymástól ahhoz, hogy a mag méretével összevethető hatótávolságú vonzó nukleáris erők (magerők) hatni kezdjenek közöttük. Ezért egy egyszerű kémiai laboratóriumban csak az atomok közötti kémiai reakciókra számíthatunk, s a magok közötti reakciókról – ezek a magreakciók (mint pl. a fúzió is) – nyugodtan elfeledkezhetünk.

(Közönséges) hidrogén – deutérium – trícium

A deutérium (D) és a trícium (T) a hidrogén két nehéz izotópja. Ezek csak a magjukban lévő neutronok számában különböznek a próciumnak is nevezett közönséges “könnyű” hidrogéntől, melyet ezen az oldalon H betű jelöl. A H tehát itt nem magát a hidrogént mint elemet szimbolizálja, hanem annak csak a legkönnyebb izotópját.

Akinek a kémiaóráról úgy rémlik, hogy a H a hidrogén elem vegyjele függetlenül attól, hogy annak melyik izotópjáról van szó, az jól emlékszik rá. Bizonyos tudományterületeken azonban (asztrofizika, fúziós kutatások, nyomjelzéstechnika stb.) a H, D és T szimbólumok, ill. a hidrogén, deutérium és trícium elnevezések a Z = 1 rendszámú elem ¹H, ²H és ³H izotópját jelentik a “bennfentesek” számára. Ezt tudomásul kell vennünk, de ne feledjük, hogy ez nem felel meg a kémiai jelölésmód, ill. nevezéktan általános szabályainak.

A közönséges hidrogén magját egyetlen proton adja, míg a deutérium és a trícium magja a protonon kívül egy, ill. két neutront is tartalmaz. Minthogy a protonszám (Z = 1) mindhárom izotópban azonos, mindben egyetlen elektron kell ahhoz, hogy az atom maga semleges legyen. Bármilyen vonzó is az egy szem elektron mozgását egy fajta bolygómozgásként elképzelni, a kvantumelmélet “ködösebb” (vagy felhősebb :-) képe az igazi. Ez ugyanis gömbszerűnek képzelteti el velünk ezeket az atomokat, nem pedig korongoknak, ahogy a lentebbi animációk mutatják. Igaz, a kvantumelmélet semmit sem árul el arról, hogyan kell az elektron mozgását elképzelni. (Egy pontban lehetünk csak biztosak Z = 1 estén: az atom alapállapotában semmiképp nem tekinthető keringésnek az elektron mozgása.)

Maghasadás

Jelenleg az atomenergia-termelés a neutronok által kiváltott maghasadáson alapszik. Mivel a neutron semleges részecske, nem kell nagy energia hozzá, hogy a magot elérje, hiszen nem hat rá a mag pozitív töltésének taszító hatása (nem úgy, mint az atommagokkal kiváltott magreakciók esetében ). A hasadóképes magok egy része egészen lassú, ún. termikus neutronok hatására is elhasad. Ilyen pl. az urán ²³⁵U izotópja is, mely sajnos, mindössze 0,7204%-át teszi ki a természetes uránnak. (A maradék >99% gyakorlatilag mind ²³⁸U, mely csak gyors neutronokkal hasítható.)

A neutronok által kiváltott (ún. neutronindukált) maghasadás során a neutron egy nehéz magot két kisebb részre hasít. Ezek a hasadványok, ill. hasadási termékek. A folyamatban nemcsak hatalmas energia szabadul fel, de további neutronok is keletkeznek, ahogy az animáció is mutatja. Ezek a neutronok további magokat képesek elhasítani, ami láncreakcióhoz vezet. Ilyen szabályozott láncreakció a folyamatos energiatermelés alapja a Paksi Atomerőmű esetében is.

Trícium

A trícium a majdani fúziós reaktorok egyik “fűtőanyaga”, amely (lényegében) nem fordul elő (magától) a Földön. Míg ugyanis a prócium és a deutérium stabil (az egyik 99,9885%-át, a másik 0,0115%-át teszi ki pl. a Földön előforduló hidrogénnek), a trícium radioaktív. Bomlásának felezési ideje mindössze 12,3 év. Ez azt jelenti, hogy ennyi idő kell ahhoz, hogy az eredeti tríciumatomok fele más atomfajtává (³He) alakuljon át. Egy-egy tríciumatom bomlása során egy igen kis energiájú elektron is keletkezik (“lágy” béta-sugárzás).

Aki már találkozott az impulzusmegmaradás (lendületmegmaradás) fogalmával, az egy furcsaságot vehet észre az animáción. A tríciummag eredetileg nyugalomban van, de bomlása után mind az elektron, mind a leánymag (He-3) jobbra kezd el mozogni. Ezt csak úgy hozhatjuk összhangba az impulzusmegmaradás törvényével, ha feltételezzük, hogy a negatív β-bomlás közben – ahogy ezt a folyamatot hívják – keletkezik még egy “láthatatlan” részecske is, mely itt éppen bal felé mozog. Ez a láthatatlan részecske az elektron-antineutrínó, melynek létezését jó 30 évvel hamarabb megsejtették az efféle furcsaságokból, mielőtt még ténylegesen felfedezték volna.

Fúzió

A magfúzió során két könnyebb atom magja egy nehezebb maggá olvad össze. A folyamatban hatalmas energia szabadul fel, ami a magot összetartó nukleáris erőknek (magerőknek) köszönhető. Az animációban a deutérium magja (egy hidrogénizotóp) egyesül a trícium magjával (egy másik hidrogénizotóppal), miközben egy közönséges héliummag (ugyanaz, mint az alfa-bomlásban kisugárzott α-részecske) és egy neutron keletkezik.

A trícium “szaporítása”

Mint láttuk, a trícium olyan fúziós üzemanyag, amely bomlékonysága miatt gyakorlatilag nem fordul elő a Földön, ezért elő kell állítani. A fúziós reaktorban egy könnyű fémből, a lítiumból állítják elő – “szaporítják” – a tríciumot. Ehhez a fúzió során felszabaduló neutronokat használják fel, melyek a lítiumot héliummá és tríciummá hasítják. Az alábbi animáción épp a ⁶Li izotóp hasítását látjuk. A Li-6 a lítium ritkább természetes izotópja, mely kb. 7,4%-át adja a földi lítiumnak. A 92,6%-os gyakoriságú közönséges ⁷Li izotóp (szerencsére) szintén termel tríciumot.

Egy fúziós reaktorban egyszerre kb. 1 kg trícium lesz, amely folyamatosan “elég”, miközben újratermelődik.

A magok taszítják egymást

A magban lévő protonok pozitív töltésűek. Emiatt, ha két mag közel kerül egymáshoz, akkor az elektromos erő igyekszik ismét eltávolítani őket egymás közeléből. Magreakció (pl. fúzió) csak akkor jöhet létre két atommag között, ha a sebességük elég nagy ahhoz, hogy ezt a taszítást legyőzzék. Különben csak eltérítik egymást, ahogy az animáció is mutatja egy triton (t: a T trícium atommagja) és egy deuteron (d: a D deutérium atommagja) esetében.

A magfúzióhoz magas hőmérséklet szükséges

Ha két mag elég közel kerül egymáshoz, akkor működésbe lépnek a rövid hatótávolságú nukleáris erők, és a magok hirtelen vonzani kezdik egymást. Ahhoz, hogy ez bekövetkezhessen, le kell győzni a köztük fellépő elektromos taszítást. A taszítás okozta nehézséget itt az ún. Coulomb-gát fejezi ki szemléletesen, melyet a tritonhoz közeledő deuteronnak meg kell “másznia” ahhoz, hogy eljusson ahhoz a póklyukhoz hasonló potenciálgödörhöz, melyet a rövid hatótávolságú magerő alakít ki a rá várakozó triton körül.

A Coulomb-gát leküzdése csak akkor lehetséges, ha a triton és a deuteron nagyon nagy sebességgel ütközik egymással. Ehhez viszont a hőmérsékletnek igen magasnak kell lennie. Egy fúziós reaktor belsejében például 150 millió fok uralkodik. Ekkora hőmérsékleten a hidrogénmagok ezer kilométert is megtesznek egyetlen másodperc alatt. (Megjegyzem, a Nap belsejében “csak” 15 millió fok van, ami erősen leértékeli a “lehozom neked a csillagot is az égről”-féle ígéretet, ha az egy fúzióspecialista szájából hangzik el :-)

Halmazállapotok

A jégkockában lévő atomok, ill. molekulák rendezetten helyezkednek el. Ilyen, lényegében rögzített atom-, ill. molekulahelyzetek a szilárd anyagokra jellemzők. Ha a jégkockát melegítjük, akkor elolvad, azaz átalakul folyadékká, melynek molekulái el tudnak mozdulni egymáshoz képest. Még magasabb hőmérsékleten a víz elpárolog és egy fajta gázzá, ill. gőzzé alakul át. Az eddig felsorolt állapotokra szoktak halmazállapotként hivatkozni.

Tovább melegítve, a vízmolekulák hidrogén- és oxigénatomokra esnek szét. Még magasabb hőmérsékleten az atomok maguk is szétesnek szabad atommagokká és szabad elektronokká. Ezt az állapotot nevezzük plazmának.

A plazmában tehát az atommagokat nem óvja meg az elektronburok az összeütközéstől. Ami persze nem jelenti azt, hogy okvetlenül össze is fognak ütközni, hiszen saját “lökhárítójuk” is van: a pozitív töltésükből eredő, egymást taszító elektromos terük. Ezt hívják Coulomb-taszításnak .

A mágneses tér egyben tartja a plazmát

A plazma részecskéi összevissza mozognak. Mágneses térben azonban a töltött részecskék úgy követik az erővonalakat, mintha sínen mozognának. Ezzel a – mágneses összetartás nevű – trükkel távol lehet tartani a legforróbb tűznél is forróbb plazmát egy tartály falától. (Ne feledjük: a volfrám, mely az aszfalttal szemben közismerten bírja a nyári meleget, “már” 3695 kelvinen elolvad, márpedig a reaktorplazma hőmérséklete több mint tízezerszer ekkora!)

Egy tokamak mágneses tere

Ha a toroidális tekercsek működnek (kapcsoljuk be a mágnest), olyan mágneses tér jön létre (indukálódik), amelynek erővonalai egy tórusz (azaz egy tornagyűrűhöz hasonló test) vonalát követik. A részecskék szűk spirálmozgást végezve haladnak körbe-körbe a zárt gyűrűket alkotó mágneses erővonalak mentén, de egy aprócska hatás miatt az elektronok kissé fölfelé, a magok pedig egy csöppet lefelé is eltérülnek. Ez azonban épp elég ahhoz, hogy tönkretegye a plazma mágneses összetartását.

Ha a plazmán át áram folyik (kapcsoljuk ki a mágnest, és kapcsoljuk be a plazmaáramot), ez olyan mágneses teret kelt, melynek erővonalai körbefonják a tóruszt. Noha ezek az erővonalak körbezárják a részecskéket, a plazma egésze instabil, és gyorsan imbolyogni kezd. Így a részecskék hamarosan kiszabadulnak a plazmaáram mágneses teréből.

Ha egyszerre működik a plazmaáram és a toroidális tekercs (kapcsoljuk vissza a mágnest), a két mágneses tér oly módon adódik össze, hogy az erővonalak csigavonalban futnak körbe a tóruszon. Az egyensúly kialakulásához egy függőleges mágneses tér is hozzájárul, melyet az ún. poloidális tekercselés hoz létre. A részecskék így már nem tudnak szétválni, mert a plazma felső része keveredik az alsóval. Mindez igen hatékony összetartást eredményez.

Megjegyzés: Ha valami érthetetlen dolog jelenne meg alább, akkor kattintsunk a jobb egérgombbal a Flashre, majd a felbukkanó menüben a bal gombbal a Back-re. Úgy vettem észre, hogy ez észhez téríti a Flasht.

Egy fúziós erőmű részei

Az animáció egy majdani fúziós erőmű fő részeit mutatja. Az erőmű természetben előforduló üzemanyaga a deutérium, míg a másik, a trícium, menet közben keletkezik a lítiumköpenyben , melyet a fúzió által termelt neutronok sugároznak be. A reaktor salakanyaga a közönséges hélium, ahogy a Napban folyó hidrogénégésé is.

Megjegyzés: A magyar verzió kissé akadozik. Akit ez zavar (jelen!) az inkább használja képes szótárnak a másikhoz.

A plazma fűtése

A reaktor működéshez szükséges 100 millió fok eléréséhez különböző fűtési módszereket használnak: áram átvezetése a plazmán, nagyenergiájú semleges részecskékből álló sugárnyalábok (semleges nyalábok), valamint mikrohullámú sugárzás. A gyakorlatban mindezeket a technikákat együttesen alkalmazzák, minthogy ezek a plazma viselkedésére is hatással vannak.

Inerciális (tehetetlenségi) fúzió

Az inerciális fúzió esetében egy apró, lefagyasztott deutérium–trícium keverékből készült “tablettát” egyszerre sugároznak be minden oldalról igen nagy teljesítményű lézer- vagy ionimpulzusokkal. A tabletta felülete roppant módon felmelegszik, és lerobban a tablettáról. A robbanás iszonyatosan nagy nyomást alakít ki egy pillantra a tabletta belsejében. A hőmérséklet és a nyomás annyira megnő benne, hogy a deutérium és a trícium fuzionál.

Vissza Nagy Sándor honlapjára. Releváns |tIt| kínálat: Nukleáris Glosszárium, Asimov Téka

Utolsó frissítés dátuma: 2022-01-23