Fuzja proton-proton (Wikipedia)
Fuzja proton-proton (Wikipedia)
barbie barbie
4040
BLOG

Co z tą fuzją (zimną i gorącą)?

barbie barbie Nauka Obserwuj temat Obserwuj notkę 168

Podczas syntezy lekkich jąder (np. czterech protonów w hel) można uzyskać ponad 25 MeV energii. Jest to bardzo dużo – około 10 000 000 razy więcej niż przy najefektywniejszej reakcji chemicznej. W dodatku protonów mamy pod dostatkiem – wody w oceanach nam raczej nie zabraknie. Nic więc dziwnego, że od dawna ludzie interesują się syntezą jądrową jako bardzo atrakcyjnym źródłem energii – tym bardziej, że Słońce (i inne gwiazdy także) skutecznie prowadzą ten proces i w gruncie rzeczy dzięki niemu istnieje życie na Ziemi. Słońcu zawdzięczamy wszystkie dostępne nam źródła energii – od paliw kopalnych po tak zwaną „energię odnawialną” (która oczywiście jak każda energia sama się nie odnawia). To dzięki Słońcu wieją wiatry i płyną rzeki oraz działają farmy fotowoltaiczne i inne, a także rośnie „biomasa”.

Dlaczego więc nie sięgnąć do źródła i nie spróbować opanować procesu syntezy jądrowej?

Okazuje się to jednak nie całkiem proste, bo aby protony zechciały się zacząć łączyć trzeba je do siebie zbliżyć. A są one naładowane dodatnio i po prostu się odpychają – lecz tylko do momentu, gdy nie są bardzo blisko siebie. A blisko to znaczy bliżej niż 10^-15 m! Jeśli jednak się to uda odwdzięczają się z nawiązką, łączą się i oddają ogromną energię (powstające na końcu jądro helu waży mniej niż 4 protony – a przecież E=mc^2).

Fizyka przedstawiła i wyjaśniła możliwe mechanizmy fuzji jądrowej w latach trzydziestych ubiegłego wieku. Opisano wiele możliwych procesów – bezpośrednich (proton-proton) oraz pośrednich (między innymi w pracach Hansa Bethego – cykl weglowo-azotowo-tlenowy). Pozostał właściwie tylko problem „jak to zrobić w praktyce”. Nie jest to rzadkie – np. K.Ciołkowski opracował teorię lotów kosmicznych, lecz po prostu nie miał środków technicznych, aby je zrealizować.

Oczywiście jak to zwykle bywa u człowieka pierwsze zastosowanie fuzja jądrowa znalazła zastosowanie i została wykorzystana jako broń i powstała bomba wodorowa. Tym samym udowodniono w praktyce (np. „Tsar Bomba” - równoważnik 50 mln ton trotylu!), że fuzja działa i jest bardzo efektywnym źródłem energii. Ważyła ona około 27 ton (przeniósł ją jeden samolot!). Porównanie wyzwolonej energii oraz masy wskazuje na wydajność fuzji termojądrowej („paliwo” jądrowe to był jedynie ułamek masy „Tsar Bomby”).

W epoce doświadczeń z bombami wodorowymi wielu twierdziło, że pokojowe wykorzystanie fuzji to tylko kwestia czasu i to krótkiego. Prezentowano nawet modele koncepcyjne samochodów „na wodę”. Sprawa jednak nie okazała się taka prosta.

Zarówno Słońce, jak i bomba wodorowa wykorzystują dość prosty mechanizm zbliżania do siebie jąder atomowych – energię ruchu termicznego. W odpowiednio wysokiej temperaturze pewna liczba jąder zbliży się do siebie na odległość wystarczającą do fuzji. Zacznie się więc wydzielać energia i temperatura zacznie rosnąć „sama z siebie”. Ale w wyniku „zapłonu” reakcji termojądrowej energia błyskawicznie staje się tak duża, że środowisko reakcji się rozprasza, prawdopodobieństwo kolejnych zbliżeń dramatycznie maleje i reakcja błyskawicznie „gaśnie”. Widoczna po wybuchu termojądrowym „kula ognista” to już tylko gorące gazy – reakcja trwa tak krótko, że jest widoczna jako oślepiający błysk.

Słońce utrzymuje stałą średnicę na skutek działania grawitacji i trwa w równowadze dynamicznej pomimo że wypromieniowuje wręcz niewyobrażalne ilości energii.

Inżynieria „fizyczna” próbuje podejść do problemu na dwa sposoby:

Fuzja „gorąca”, w której do zbliżania jąder wykorzystywany jest ruch termiczny jąder zawierających protony (izotopy wodoru). Głównym problemem jest w tej technologii izolowanie obszaru reakcji (żaden materiał nie wytrzyma koniecznej do fuzji temperatury). Drugim – uzyskanie stabilnego obszaru prowadzenia reakcji oraz uzyskanie odpowiedniej gęstości plazmy, aby uczynić prawdopodobnymi konieczne zbliżenia.

Fuzja „zimna”, w której do zbliżania jąder próbuje się wykorzystać inne mechanizmy. Wbrew powszechnej opinii nie jest to „Science Fiction”. Choć jest to dziedzina bardzo intensywnie „eksploatowana” przez wielu różnych wynalazców (w tym także fizyków i chemików) to jest także przedmiotem poważnych badań oraz niekiedy bardzo wyrafinowanych eksperymentów. Reakcje fuzji próbuje się wzbudzać impulsami laserowymi lub mikrowybuchami – takie prace prowadzono także w Polsce w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (choć to jest w zasadzie „gorąca” fuzja) Prof. Sylwestra Kaliskiego.

Inną drogi to próby wykorzystywania bardzo silnego pola elektrostatycznego (kryształy piroelektryczne). W wielu eksperymentach stwierdzono emisję neutronów oraz jąder izotopu helu, lecz jak na razie ta technika znalazła ograniczone zastosowanie jako źródło neutronów, a nie źródło energii. Bardzo wyrafinowanym pomysłem jest zastąpienie elektronu w atomach wodoru mionem, który jako znacznie cięższy krąży bliżej jądra, co powoduje efektywniejsze ekranowanie pola elektrostatycznego protonu.

Pomysłów jest o wiele więcej, lecz na zimnej fuzji ciąży historia eksperymentu Fleischmana-Ponsa, którego rezultatów nie udało się potwierdzić (na początku doniesienia były dość entuzjastyczne). Oprócz eksperymentów laboratoryjnych oraz poważnych doniesień naukowych powstaje szereg „generatorów” oraz „katalizatorów” energii. Oczywiście stosowane w nich rozwiązania są „ściśle tajne”. Stosunkowo dużą popularność zdobył „generator Rossiego”, ale pomimo podawania kolejnych terminów finalne urządzenie jakoś nie może ujrzeć światła dziennego (podobno jest produkowane w „tajnej” fabryce - http://rossigenerator.com/ ) i wpłynęły już (oczywście tajne) zamówienia:

American military customer who purchased the first Energy Catalyzer plant of 1 MW back at the end of October and who ordered 11more E-Cat plants. But since the identity of this customer (and any other customer for that matter) is masked

W międzyczasie Andrea Rossi zdążył się już prawie ze wszystkimi pokłócić.

Wbrew powszechnie głoszonej opinii na badania zimnej fuzji można uzyskiwać oficjalne granty – w sieci można znaleźć mnóstwo takich przykładów. Oczywiście grantodawcy (zwłaszcza „państwowi”) wymagają odpowiednich dokumentów oraz publikacji rezultatów i nie chcą płacić za przysłowiowego „kota w worku”.

Wróćmy więc do fuzji „gorącej”. Wbrew powszechnej opinii od wielu lat jest ona osiągalna w warunkach półprzemysłowych – np. w urządzeniu JET (Joint European Torus): http://www.ccfe.ac.uk/JET.aspx . Uprzedzając zarzuty od razu należy podkreślić, że JET nigdy nie miał być urządzeniem przemysłowym, a jedynie doświadczalnym i cały czas takim celom służy. Tym niemniej skala energetyczna jest już znaczna – JET potwierdził możliwość produkcji energii w warunkach kontrolowanej fuzji jądrowej – uzyskano 16 MW mocy (przy włożonej 24 MW). W wyniku doświadczeń z tokamakiem JET (który uruchomiono w 1983 r.) zdecydowano się na kolejny etap – budowę urządzenia ITER, które ma osiągać dodatni bilans energetyczny.

W USA duże nadzieje są łączone z inną techniką – Polywell, finansowaną głównie przez US Navy. Ciekawostką jest, że twórca tej techniki Robert Bussard zwracał się o finansowanie także do firmy Google.

Na dziś jednak jedynym urządzeniem, w którym można w sposób udokumentowany i powtarzalny realizować fuzję jądrową na skalę półprzemysłową jest tokamak JET.

Prace nad wdrożeniem fuzji jądrowej jasno wykazują, jak długa jest droga „od fizyki do techniki”. Fizycy opisali mechanizmy fuzji w latach trzydziestych ubiegłego wieku. W latach pięćdziesiątych zbudowano (z funduszy wojskowych) bombę wodorową, w 1978 rozpoczęto budowę, a w 1983 uruchomiono JET, a obecnie przystąpiono (wykorzystując doświadczenia z tokamakami z USA, Japonii, Anglii i Rosji) do budowy urządzenia ITER, którego uruchomienie jest przewidywane na około 2020. ITER to również będzie urządzanie doświadczalne – wersji demo elektrowni termojądrowej opartej o tokamak nie należy oczekiwać przed 2040. Do rozwiązania pozostaje jeszcze wiele problemów – np. co robić z szybkimi neutronami emitowanymi podczas fuzji (w JET są one hamowane i uzyskane ciepło służy do dodatkowej produkcji energii elektrycznej).

Sytuacja nieodparcie przypomina mi historię „podboju” Kosmosu – K.Ciołkowski opublikował teorię lotów kosmicznych w 1903 roku. Brakowało mu jednak „drobiazgu” - odpowiedniej rakiety.

Jest oczywiste, że ludzie poszukują „drogi na skróty” - stąd też ogromny wysyp różnych „genialnych i tajnych” wynalazków. Jak na razie jednak ciągle pozostają one tajne/poufne i początkowe entuzjastyczne opinie są po krótkim czasie odwoływane...

Liczyć na przypadek w tej dziedzinie raczej trudno – trzeba więc uzbroić się w cierpliwość. Fakt zachodzenia reakcji fuzji dość łatwo udokumentować – wystarczy podać mechanizm wykorzystywanej reakcji oraz jej produkty. Niestety, większość „obalaczy” unika tego jak diabeł święconej wody.

barbie
O mnie barbie

Nazywam się Tomasz Barbaszewski. Na Świat przyszedłem 76 lat temu wraz z nadejściem wiosny - była to wtedy niedziela. Potem było 25 lat z fizyką, a później drugie tyle z Xeniksem,  Uniksem i Linuksem. Dziś jestem emerytem oraz bardzo dużym wdowcem! Nigdy nie korzystałem z MS Windows (tylko popróbowałem) - poważnie! Poza tym - czwórka dzieci, piątka wnucząt, dwa koty (schroniskowe dachowce), mnóstwo wspaniałych wspomnień i dużo czasu na czytanie i myślenie.

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie