Termonükleer füzyon - Thermonuclear fusion
Termonükleer füzyon , atomların büyük miktarlarda ısıyla bir araya gelmesi veya "kaynaşması" işlemidir. : Termonükleer füzyon iki biçimi vardır kontrolsüz bu olduğu gibi, elde edilen enerji kontrolsüz bir şekilde serbest bırakıldığı, termonükleer silah ( "hidrojen bomba") ve en fazla de yıldızlı ; ve kontrollü , füzyon reaksiyonlarının, salınan enerjinin bir kısmının veya tamamının yapıcı amaçlar için kullanılmasına izin veren bir ortamda gerçekleştiği durumlarda.
Sıcaklık gereksinimleri
Sıcaklık, parçacıkların ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür , bu nedenle malzemeyi ısıtarak enerji kazanacaktır. Lawson kriteri tarafından verilen yeterli sıcaklığa ulaştıktan sonra , plazma içindeki kazara çarpışmaların enerjisi Coulomb bariyerini aşmaya yetecek kadar yüksektir ve parçacıklar birbirine kaynaşabilir.
Örneğin bir döteryum-trityum füzyon reaksiyonunda , Coulomb engelini aşmak için gerekli enerji 0.1 MeV'dir . Enerji ve sıcaklık arasındaki dönüşüm , 1,2 milyar kelvin'i aşan bir sıcaklıkta 0.1 MeV bariyerinin aşılacağını gösteriyor .
Gerçek sıcaklığı düşürmek için gereken iki etki vardır. Birincisi, sıcaklığın ortalama kinetik enerji olduğu gerçeğidir; bu, bu sıcaklıktaki bazı çekirdeklerin gerçekte 0.1 MeV'den çok daha yüksek enerjiye sahip olacağını, diğerlerinin ise çok daha düşük olacağını ima eder. Füzyon reaksiyonlarının çoğundan sorumlu olan, hız dağılımının yüksek enerjili kuyruğundaki çekirdeklerdir . Diğer etki ise kuantum tünellemedir . Çekirdeklerin aslında Coulomb engelini tamamen aşmak için yeterli enerjiye sahip olması gerekmez. Yeterince enerjileri varsa, kalan bariyerden tünel açabilirler. Bu nedenlerden dolayı, daha düşük sıcaklıklardaki yakıt, daha düşük bir oranda yine de füzyon olaylarına maruz kalacaktır.
Termonükleer füzyon, füzyon gücü üretme girişimlerinde araştırılan yöntemlerden biridir . Termonükleer füzyon kullanıma uygun hale gelirse, dünyanın karbon ayak izini önemli ölçüde azaltacaktır .
Kapatılma
Termonükleer füzyonun sağlanmasındaki temel sorun, sıcak plazmanın nasıl sınırlandırılacağıdır. Yüksek sıcaklık nedeniyle, plazma herhangi bir katı malzeme ile doğrudan temas halinde olamaz, bu nedenle bir vakum içine yerleştirilmelidir . Ayrıca, yüksek sıcaklıklar yüksek basınç anlamına gelir. Plazma hemen genişleme eğilimindedir ve buna karşı hareket etmek için bir miktar kuvvet gereklidir. Bu kuvvet, üç formdan birini alabilir: yerçekimi yıldız, manyetik hapsetme füzyon reaktöründe manyetik kuvvetler, ya da atalet plazma başlar genişletmek için daha önce plazma atalet malzeme birlikte tutmak, böylece füzyon reaksiyonu meydana olabilir.
yerçekimi hapsi
Karşılamak için de yeterli yakıt sınırlandırma yeteneğine sahip bir güç Lawson kriteri olan yerçekimi . Bununla birlikte, ihtiyaç duyulan kütle o kadar büyüktür ki, yerçekimi hapsi yalnızca yıldızlarda bulunur - sürekli füzyon yapabilen en az kütleli yıldızlar kırmızı cücelerdir , kahverengi cüceler ise yeterli kütleye sahiplerse döteryum ve lityumu kaynaştırabilir . Yeterince ağır yıldızlarda , çekirdeklerindeki hidrojen kaynağı tükendikten sonra, çekirdekleri (veya çekirdeğin etrafındaki bir kabuk) helyumu karbona kaynaştırmaya başlar . En büyük kütleli yıldızlarda (en az 8-11 güneş kütlesi ), bu süreç, enerjilerinin bir kısmı daha hafif elementleri demirle birleştirerek üretilene kadar devam eder . Demir en yüksek bağlanma enerjilerinden birine sahip olduğundan , daha ağır elementler üreten reaksiyonlar genellikle endotermiktir . Bu nedenle, önemli miktarlarda ağır elementler, büyük kütleli yıldız evriminin kararlı periyotları sırasında oluşmaz, ancak süpernova patlamalarında oluşur . Bazı hafif yıldızlar da bu elementleri, uzun süreler boyunca, yıldızın iç kısmındaki füzyondan gelen enerjiyi, füzyon sürecinden yayılan nötronları emerek yıldızların dış kısımlarında oluştururlar.
Demirden daha ağır olan tüm elementlerin teorik olarak salıverecek bir miktar potansiyel enerjisi vardır. Element üretiminin son derece ağır ucunda, bu ağır elementler nükleer fisyon sürecinde tekrar demir boyutuna doğru ayrılma sürecinde enerji üretebilir . Böylece nükleer fisyon, bazen milyarlarca yıl önce yıldız nükleosentezi sırasında depolanmış olan enerjiyi serbest bırakır .
manyetik hapsi
Elektrik yüklü parçacıklar (yakıt iyonları gibi) manyetik alan çizgilerini izleyecektir (bkz. Kılavuz merkez ). Füzyon yakıtı bu nedenle güçlü bir manyetik alan kullanılarak hapsedilebilir. Manyetik konfigürasyonlarının çeşitli toroidal geometrileri de dahil olmak üzere, mevcut Tokamaklar ve Stellatörler açık uçlu ayna sarılma sistemleri.
eylemsizlik hapsi
Üçüncü bir hapsetme ilkesi, bir füzyon yakıtı peletinin yüzeyinin büyük bir bölümüne hızlı bir enerji darbesi uygulayarak aynı anda "patlamasına" ve çok yüksek basınç ve sıcaklığa kadar ısınmasına neden olmaktır. Yakıt yeterince yoğun ve yeterince sıcaksa, füzyon reaksiyon hızı, yakıtın önemli bir bölümünü dağılmadan önce yakmaya yetecek kadar yüksek olacaktır. Bu aşırı koşullara ulaşmak için, başlangıçta soğuk olan yakıtın patlayarak sıkıştırılması gerekir. Atalet hapsi, sürücünün bir fisyon bombası tarafından oluşturulan x-ışınları olduğu hidrojen bombasında kullanılır . Atalet hapsi, sürücünün bir lazer , iyon veya elektron ışını veya bir Z-tutamı olduğu "kontrollü" nükleer füzyonda da denenir . Diğer bir yöntem, bir yakıtı füzyon koşullarına sıkıştırmak için geleneksel yüksek patlayıcı malzeme kullanmaktır . UTIAS patlayıcı güdümlü patlama tesisi, DD reaksiyonlarından nötronlar üretmek için kararlı, merkezlenmiş ve odaklanmış yarı küresel patlamalar üretmek için kullanıldı . En basit ve en doğrudan yöntemin, önceden patlatılmış bir döteryum - oksijen stokiyometrik karışımında olduğu kanıtlandı . Diğer başarılı yöntem, bir düzlem diyaframın, bir atmosferde saf döteryum gazı içeren ikincil bir küçük küresel boşluğa içe patlama dalgası tarafından sürüldüğü minyatür bir Voitenko kompresörü kullanmaktı .
elektrostatik hapsi
De vardır elektrostatik hapsi füzyon cihazları. Bu cihazlar iyonları elektrostatik alanlar kullanarak sınırlar. En iyi bilinen fusor'dur . Bu cihazın bir anot tel kafesi içinde bir katodu vardır. Pozitif iyonlar, negatif iç kafese doğru uçar ve işlem sırasında elektrik alanı tarafından ısıtılır. İç kafesi kaçırırlarsa çarpışabilir ve kaynaşabilirler. İyonlar tipik olarak katoda çarparak, yüksek iletim kayıplarına neden olur. Ayrıca, ışık radyasyonu biçimindeki enerji kaybı gibi rekabet eden fiziksel etkilerden dolayı fusorlardaki füzyon oranları çok düşüktür. Nötr olmayan bir bulut kullanarak alanı oluşturarak kafesle ilgili sorunları önlemek için tasarımlar önerilmiştir. Bunlara bir plazma salınımlı cihaz, bir Penning kapanı ve çoklu kuyu dahildir . Bununla birlikte, teknoloji nispeten olgunlaşmamıştır ve birçok bilimsel ve mühendislik sorusu devam etmektedir.