Fuzja jądrowa: Nauka o zamianie wody w energię elektryczną

11 minute read

Zaktualizowano Wed Mar 03 2021

Zastanawialiście się kiedykolwiek, dlaczego słońce świeci? Czy moglibyśmy wykorzystać ten sam mechanizm, żeby wyprodukować energię na Ziemi? Odpowiedzią na oba te pytania jest fuzja jądrowa!

Ziemka podziwia słońce

Czym jest fuzja jądrowa?

W poprzednich rozdziałach omawialiśmy rozszczepienie jądrowe – rozdzielenie dużego atomu na mniejsze i uwolnienie energii. Fuzja jądrowa jest odwrotnością tego procesu. Bierze dwa mniejsze atomy i łączy je w jeden.

Dlaczego fuzja byłaby świetnym źródłem energii

Jak sądzisz, które z poniższych cech są zaletami fuzji jądrowej? Wybierz 4:


Jeśli rozszczepianie atomów uwalnia energię, jak łączenie atomów również może ją uwalniać?

Rozszczepianie atomów używa ciężkich pierwiastków (takich, które mają dużo protonów i neutronów), podczas gdy łączenie atomów (fuzja) używa bardzo lekkich pierwiastków. Dlaczego? Ponieważ w przypadku pierwiastków lżejszych niż żelazo (26 protonów) fuzja uwalnia energię, a rozszczepienie ją pochłania. W przypadku pierwiastków cięższych niż żelazo dzieje się odwrotnie.

Potencjał fuzji / rozszczepienia

Tak więc w przypadku dużych atomów, takich jak uran, uzyskujemy energię z rozszczepienia, ale łączenie atomów wymaga dużej ilości energii. Dla kontrastu łączenie lżejszych pierwiastków daje nam energię!

Czy na podstawie powyższego wykresu możesz zgadnąć, którego pierwiastka użyjemy na wejściu?


Jak działa fuzja?

Można spróbować połączyć dowolne dwa pierwiastki, ale my zajmiemy się jedną konkretną reakcją fuzji, której używa się do wytwarzania energii elektrycznej.

Będziemy określać pierwiastki za pomocą liczby ich protonów i neutronów: „1p2n” to jądro z 1 protonem i 2 neutronami. Na razie możemy zapomnieć o elektronach – później zobaczysz dlaczego.

Co daje nam połączenie 1p1n z 1p2n?


1p1n + 1p2n = 2p3n. ALE: 2p3n jest izotopem nietrwałym, co oznacza, że naturalnie szybko się rozpada, zmieniając się z 2p3n w 2p2n oraz dodatkowy neutron i energię.

Fuzja

Co to za pierwiastki? 1p0n to wodór „H”. 1p1n oraz 1p2n, używane do fuzji, są izotopami wodoru o nazwach deuter i tryt (mają taką samą liczbę protonów, ale inne liczby neutronów):

Izotopy wodoru

Jaki jest wynik tej reakcji? Byłoby źle, gdyby 2p2n było czymś niebezpiecznym, na przykład odpadem jądrowym.

Jakim pierwiastkiem jest 2p2n?


Na szczęście hel nie jest niebezpieczny – używamy go do napełniania balonów. Skoro znamy już używane pierwiastki, przyjrzyjmy się ponownie reakcji:

Pełna reakcja fuzji deuteru z trytem

Dlaczego to uwalnia energię?

Choć brzmi to dziwnie, hel i jeden neutron mają mniejszą masę niż deuter i tryt. Naprawdę! Ponownie łącząc tę samą liczbę protonów i neutronów w innej konfiguracji, całe jądro traci masę.

Utracona masa przekształca się w energię, która zostaje wydzielona w formie ciepła i promieniowania elektromagnetycznego. Działa tu słynne równanie Einsteina, E = mc²: przekształcamy masę w energię.

Dlaczego więc nie wykorzystujemy fuzji do wytwarzania energii?

Fuzja w Słońcu zachodzi z powodu silnego ciśnienia w jego jądrze, które jest wywoływane przez grawitację. Temperatura sięga aż 15 000 000°C!

Dobre wieści są takie, że możemy stworzyć fuzję na Ziemi. Złe: że to bardzo trudne.

Do tej pory wszystkie reaktory termojądrowe zużywają więcej energii, niż produkują. To oczywiście stanowi problem. Elektrownia, która zużywa więcej energii, niż produkuje, jest bezużyteczna.

Stosunek energii wejściowej do wyjściowej nazywa się często „Q”. Fuzja jądrowa ma długą historię, ale do tej pory nie udało nam się osiągnąć Q w wysokości 1:

Wydajność reaktorów termojądrowych

Jak widzisz na tym wykresie, bardzo zbliżyliśmy się do Q=1, ale potem ulepszenia się skończyły – dlaczego? W następnym rozdziale zgłębimy znaczenie powyższego wykresu, odkryjemy powód braku dalszych postępów (jak dotąd) i omówimy ostatnie prace, które mają na celu osiągnięcie Q=10 i wyższego.

Następny rozdział