Jak działa fuzja?

Jak działa fuzja?
Fuzja jądrowa jest źródłem energii Słońca i gwiazd. Jest to proces w którym dwa atomy wodoru łączą się ze sobą, tworząc w rezultacie
atom helu. W trakcie reakcji część masy wodoru zamienia się w energię. Reakcją, którą najłatwiej przeprowadzić jest fuzja deuteru
(ciężkiego izotopu wodoru) z trytem (bardzo ciężkim izotopem wodoru), w wyniku której powstaje hel i neutron. Deuter występuje w
wodzie naturalnej, natomiast tryt może być produkowany w reakcji fuzji neutronu (powstałego w reakcji fuzji) z litem. Lit jest metalem
lekkim również powszechnie występującym w naturze. Reakcja fuzji jądrowej może być niewyczerpalnym źródłem energii.
Rys. 1: Reakcja fuzji jądrowej deuteru i trytu, produktami są hel i neutron oraz wydziela się bardzo dużo energii.
Aby możliwa była reakcja fuzji jądrowej atomy wodoru muszą być podgrzane do bardzo wysokiej temperatury (100 milionów stopni).
Atomy stają się wtedy jonami (tworzą plazmę) i otrzymują na tyle dużą energię, że mogą zbliżyć się do siebie i połączyć w procesie fuzji.
Słońcu i gwiazdom pomaga w tym grawitacja. Na Ziemi dwa sposoby utrzymywanie plazmy: magnetyczne i bezwładnościowe są bardziej
praktycznymi rozwiązaniami. W pierwszej metodzie, pole magnetyczne wykorzystywane jest do utrzymywania plazmy (jonów) skupionych
blisko siebie, podczas równoczesnego ich podgrzewania za pomocą mikrofal lub innych źródeł energii. Metoda magnetycznego
utrzymywania plazmy wykorzystywana jest w tokamakach. W metodzie bezwładnościowej malutka kapsułka wodorowa jest poddawana
działaniu wielu wysokoenergetycznych promieni laserowych w bardzo krótkim czasie. W efekcie jest ściskana i ogrzewana do tak wysokich
wartości ciśnienia i temperatury, że możliwa staje się fuzja jądrowa.
Rys. 2: Zasada działania tokamaka. Plazma jest skupiona w centralnej części komory w kształcie pierścienia (obwarzanka), która jest
nazywana torusem. Cewki nadprzewodnikowe generują pole magnetyczne, pod wpływem którego cząstki naładowane plazmy krążą po
okręgach, nie dotykając ścian komory. W rzeczywistych tokamakach są jeszcze dodatkowe cewki, które modyfikują pole magnetyczne.
Bezpieczeństwo i koszty. Naukowcy szukają sposobów na przeprowadzanie reakcji fuzji na Ziemi od ponad 50 lat. Paliwo do fuzji jest
praktycznie niewyczerpalne. Jeden spośród 6500 atomów wodoru w wodzie jest atomem deuteru. Jeden litr wody może dostarczyć tyle
energii ile 300 litrów benzyny. Poza tym fuzja jest przyjazna środowisku, nie wytwarza ani gazów spalinowych ani cieplarnianych. Chociaż
fuzja jest reakcją jądrową, jej produkty (hel i neutron) nie są radioaktywne. Jeśli elektrownie plazmowe zostaną odpowiednio
zaprojektowane, nie będą wytwarzać długożyciowych odpadów radioaktywnych i będą bezpieczne dla otoczenia. Szacunkowe obliczenia
wykazują, że koszt uzyskania energii elektrycznej w elektrowni plazmowej jest taki sam jak koszt uzyskania energii elektrycznej z innych
źródeł.