Mis on tuumasüntees?

19. sajandi lõpuks olid päikesevalguse spektroskoopilised mõõtmised näidanud, et Päike sisaldab suures koguses vesinikku ja väikest kogust heeliumi. Teadlased olid sellest 20. sajandi esimestel kümnenditel täiesti teadlikud, kuid kuna relatiivsustegevus oli alles hiljuti kasutusele võetud ja kvantfüüsika oli alles selle kõige varasemas arengus, ei olnud võimalust seda vaatlust kohaldada probleemile, kuidas tähed energiat tootsid. See oli täielik mõistatus kuni 1920. aastate alguseni, kui Briti füüsik Francis Aston avastas, et nelja vesinikuaatomi kombineeritud mass oli pisut suurem kui ühe heeliumi aatomi mass. Einsteini teooria ennustas, et see massierinevus muundatakse energiaks ja seetõttu püstitas Aston hüpoteesi, et tähed tekitavad energiat vesinikuaatomite sulatamisel heeliumiks. See hüpotees valideerus järgmise 20 aasta jooksul ja täheühenduse teooriat peetakse tänapäevase füüsika üheks võidukäiguks.

Samuti saadi kiiresti aru, et termotuumareaktsioonid võivad toota tohutul hulgal kasulikku energiat. Mitte ainult see, vaid ka kütus (vesinik), mida see vajaks, on Maal nii rikkalikult, et see on tegelikult piiramatu ning ainus jäätmeprodukt on heelium, mis pole mürgine ega aita kaasa globaalsele soojenemisele.

See artikkel räägib sellest, mis on tuumasüntees ja mis on selle mõju energiaallikale.

Mass-energia muundamine

Erinevalt keemiast ei ole tuumareaktsioonis mass säilinud. Leitakse alati, et reaktsiooni produktide mass erineb reagentide massist. Seda massierinevust nimetatakse massipuuduseks, mida kirjutame asm. Mass näib kaduvat, kuna massipuudus muundatakse Einsteini võrrandi abil energiaks. Reaktsioonil saadud energia on E = ∆mc². Kasuliku energia saamiseks peame positivem olema positiivsed. Termotuumasünteesi reaktsioonis tähendab see, et me tahame, et toote mass oleks pisut väiksem kui reagentide mass, näiteks heeliumi aatom on pisut kergem kui neli vesiniku aatomit. Lõhustumisel tähendab see, et me tahame, et produktide mass oleks väiksem kui reagendi mass, näiteks uraani aatom on pisut massiivsem kui neutronite ning krüptooni ja baariumi aatomite kombineeritud mass, mille reaktsioon tekitab. Vastupidises suunas toimuvate reaktsioonide läbiviimiseks kuluks rohkem energiat kui vabaneks: põhimõtteliselt on võimalik heeliumi aatom jagada vesinikuks, kuid see protsess kulutaks rohkem energiat kui eralduks.

Siduv energia

Ehkki nukleoonide arv püsib reaktsioonis muutumatuna, on heeliumi aatom kergem kui neli vesiniku aatomit ja miks on uraani aatom raskem kui krüptooni ja baariumi aatomi ühendatud mass? Kus täpselt on lisamass? Sellele küsimusele vastamise alustamiseks kirjutame reaktsiooni energiasäästuvõrrandi. Olgu Ep prootoni massienergia (mis on peaaegu täpselt võrdne vesiniku aatomi massienergiaga, jätame unarusse elektroni, kuna selle mass on ~ 1/2000 prootoni massist), En neutron, E-He on heeliumi aatomi massienergia ja ∆E reaktsiooni käigus vabanev energia. Energiavõrrand on:

See ütleb meile, et heeliumi aatomi tuumas salvestatud koguenergia kohta on kaks terminit. Esimene on selle nelja nukleoni (kaks prootonit ja kahte neutronit) energiaenergia, käsitleme nende massienergiaid umbes võrdsetena, kuna prootoni massienergia on umbes 999/1000 neutronite oma) ja teine negatiivne termin absoluutväärtusega ∆E. Seda negatiivset energiat nimetatakse siduvaks energiaks. See vastab kogu interaktsiooni potentsiaalsele energiale, milles tugev tuumajõud hoiab kõik tuumad koos miinus laetud osakeste vahelise tagasilükkava Coulombi jõu elektrilise potentsiaalse energiaga. Sidumisenergia on negatiivne, kuna osake peaks tuumadest pääsemiseks tegema tööd (kaotama kineetilise energia). Sidumisenergia tuuma kohta on antud elemendi aatomite iseloomulik omadus ja seda energiat on kujutatud järgmises diagrammis:

Märkus: kujutab sidumisenergia absoluutväärtust. Allikas: Wikimedia Commons

Oluline reegel on see, et kui reaktsiooni produktituumadel on madalam (absoluutväärtuses suurem ja seetõttu diagrammil kõrgem, kuid väiksema tähendusega, et need on negatiivsemad) seondumisenergia tuuma kohta kui reagentidel, siis energia vabaneb. Kujutage ette, miks see nii on, kujutlege vaheseisundit pärast reaktsiooni (kas sulandumist või lõhustumist), kus tootenäidis eksisteerib ühe hetke jooksul seondumata olekus, mis koosneb mitte-interakteeruvate prootonite ja neutronite jupist. Tuumaks saamiseks peab nukleonide hunnik olema seotud tugeva tuumajõu kaudu toimuva vastastikmõju kaudu. Selle interaktsiooni energia on sidumisenergia, mis on negatiivne, seega nukleoonide hunnikust koosneva süsteemi koguenergia väheneb, kui see muutub õigeks tuumaks. Kuid energiat tuleb hoida kokku, nii et süsteem peaks oma sisemist energiat vähendama, see peab olema mingi energia oma ümbrusesse välja lasknud.

Diagrammil näete ka seda, et rauast raskemad elemendid vabastavad lõhenemisel energiat ja rauast kergemad elemendid vabastavad nende sulatamisel energiat. Raud on kõige stabiilsem element ja puudub reaktsioon, mis võib rauda lõhestada või sulatada, vabastades samal ajal ka energiat.

Kuidas termotuumasünteesi põhjustada?

Oleme tuvastanud, mis toimub tuumasünteesi ajal, kuid peame teadma ka, kuidas panna kaks aatomituuma kokku sulama.

Aatomituumad, mis koosnevad laadimata neutronitest ja positiivselt laetud prootonitest, on kõik positiivselt laetud ja seetõttu tõrjuvad nad üksteist. Kui kahe tuuma eraldamine on võrreldav tuuma läbimõõduga, aktiveerub uus jõud, mida nimetatakse tugevaks tuumajõuks. Erinevalt elektrostaatilisest jõust, mille ulatus on lõpmatu, on tugeval tuumajõul piiratud ulatus ja seetõttu ei toimu tugevat tuuma interaktsiooni tuumade vahel, mida eraldab sellest vahemikust suurem vahemaa. Kuid erinevalt elektrostaatilisest jõust on tugev jõud atraktiivne ja hoiab prootoneid ja neutroneid koos tõrjuva elektrijõuga. Kaks tuuma sulanduvad, kui suudame need piisavalt lähedale viia, et tugev tuumajõud elektrostaatilist jõudu ületaks.

Selle asemel, et mõelda siin jõududele, saab pilt selgemaks, kui mõelda potentsiaalse energia osas ja võtta esmajärjekorras naiivne klassikaline lähenemisviis, mis ignoreerib kvantmehaanikat. Positiivselt laetud osakese laeng q, nagu vesinikuaatomi tuum (prooton), tekitab elektrilise potentsiaalivälja, mille annab:

Džaulide ühikud / Coulomb

Kus ε0 on füüsikaline konstant, mida nimetatakse vaba ruumi lubatavuseks. See potentsiaalne väli ütleb meile, et kui kahte laengut Q ja q eraldavad vahemaa r, siis on nende vastastikuse mõjuga seotud potentsiaalne energia järgmine:

Võite näha, et see energia muutub suuremaks, kui vahemaa r muutub väiksemaks. Seetõttu peame kahe tasude lähendamiseks tegema tööd kahe tasusüsteemi osas. Kujutage ette, kui proovite kahe baarimagneti põhjapooluseid kokku suruda. See on võimalik, kuid see nõuab teatavaid pingutusi. Töö, mida peame kahe prootoni sulandumise esilekutsumiseks tegema, on seetõttu töömaht, mida peame tegema kahe laengulaengu toomiseks q = Q = ~ 1,6 × 10 ^ –19 kuljoneid tugeva jõu vahemaale domineerib, r = 1,7 femtomeetrit (1fm = 10 ^ -15 meetrit). Seetõttu on U = 1,35 × 10 ^ -13 džauli ehk umbes 843 keV (1 keV = 1000 elektronvolti).

Siinsete mõttekäikude käegakatsutavamaks mõistmiseks kujutlege, et proovite lüüa massiga palli nii, et see veereks h kõrguse mäe tippu. Maa pinna lähedal on kaalu potentsiaalne energia kõrgusel h = U = mgh (potentsiaalifunktsioonide olemus võimaldab meil meelevaldselt väita, et potentsiaal on mäe põhjas null, sõltumata merepinnast kõrgemal) . Kui eeldada, et mäe kuju annab mingi funktsioon y (x), siis võime mäe kujutleda ruumilise potentsiaalbarjäärina U (x) = mgy (x), et kuuli kineetiline energia peab olema suurem kui mgh ( käsk ületada, vastasel juhul blokeeritakse. Mäe kuju on suvaline, kui me ei arvesta õhutakistust ja hõõrdumist.

See diagramm näitab meile kuuli käitumist selle kineetilise energia puhul kolmel erineval juhul. Kui kuuli kineetiline energia on väiksem kui mgh, saavutab kuul vähem kui h kõrguse ja veereb seejärel tagasi alla. Kui kineetiline energia on täpselt võrdne mgh-ga, veereb pall mäe tippu ja jääb sinna. Kui kineetiline energia on suurem kui mgh, veereb kuul üles mäe tippu ja veereb seejärel teisele küljele. Vaatame diagrammi, mis illustreerib kahe prootoni olukorda teineteisele lähenedes.

Märkus. Vertikaalne telg ei ole skaleeritav.

See diagramm näitab kahe prootoni interaktsiooni koguenergiat. Kui potentsiaalne energia on positiivne, peavad prootonid tegema oma eraldumise vähendamiseks tööd ja seetõttu põhjustab interaktsioon prootonite üksteise tõrjumist. Kui potentsiaalne energia on negatiivne, siis peaksid prootonid nende eraldumise suurendamiseks tööd tegema ja nii kipub interaktsioon olema atraktiivne.

A-ga tähistatud kõvera lõigus on aktiivne ainult elektrostaatiline interaktsioon ja potentsiaal on positiivne. Umbes 1,7 fm kaugusel, märgistatud punktiga B, tugev interaktsioon "lülitub sisse" ja ületab kohe elektrostaatilise interaktsiooni. Energiat punktis B nimetatakse tõkke kõrguseks ja kui prooton algab tõkest paremal ja selle energia on väiksem kui tõkke kõrgus, siis nimetame klassikaliseks barjääri vasakul asuvat piirkonda. keelatud piirkond. Punkti C poolt märgitud vahemaade korral, mis on väiksemad kui umbes 0,7 fm, lülitub tugev vastasmõju positiivsest tagasi tõrjuvaks, seega lükatakse osakese kõvera lõigul, mida tähistab D, tagasi C-ni.

Potentsiaalkõvera seda lõiku, kus domineerib elektrostaatiline interaktsioon, V (x) x> 1,7 fm korral nimetatakse elektrostaatiliseks ehk Coulombi tõkkeks. Arutasime varem, et Coulombi tõkke energia on ~ 843 keV. Kui sissetuleval prootonil on kineetiline energia sellest kogusest väiksem, ei ole see klassikalise pildi korral võimeline ületama Coulombi barjääri, analoogselt olukorraga, kus kuul tuleb lüüa piisava koguse kineetilise energiaga, et sellest üle saada. Mägi.

Niisiis, kuidas me anname prootonile piisavalt kineetilist energiat? Lihtsaim ja tõhusam viis on muuta see väga “kuumaks”. Muidugi, üksikute aatomite jaoks pole temperatuuri määratletud, kuid me saame määratleda temperatuuri suure vesinikuaatomite proovi korral, seda nimetatakse T.. Monoaatomigaasi proovi keskmine kineetiline energia temperatuuril T on ⟨K⟩ = (3 / 2) kT, kus k on Boltzmanni konstant. Leiame, et vajalik temperatuur on absurdselt kõrge: 6,5 miljardit Kelvinit. See suurusjärk pole mitte ainult üle selle, mida Maa peal mõistlikult saavutada võiks, vaid ka Päikese tuuma temperatuur on hinnanguliselt „ainult“ 15 miljonit kelvinit, mis on umbes 0,23% temperatuurist, mille saavutasime oma naiivse lähenemise kaudu. Kuidas siis võib juhtuda tähesulandumine ja kuidas me üldse võiksime loota, et sulandub siin Maa peal?

Tõkke tungimine

Vastus on barjääride läbitungimise fenomenis, mida nimetatakse ka kvanttunneldamiseks. Me kõik teame, et aatomi ja alaatomilise kauguse skaala osakeste asukoht pole täpselt määratletud. Kui võtame sissetuleva prootoni positsiooni ühe mõõtmise ja leiame, et see asub Coulomb'i barjäärist paremal, energiaga vähem kui barjääri kõrgus, on tõenäosus, et teisel mõõtmisel leitakse prooton klassikaliselt keelatud piirkond tõkke kõrguse mis tahes piirväärtuse jaoks. Arvestus, milles kasutatakse WKB lähendit, on selle artikli taseme jaoks liiga arenenud ja kaasatud, kuid lõpuks võime leida, et tõenäosust andev võrrand on järgmine:

Kahe prootoniga täheühenduse korral leiame, et kui eeldada, et prootoni väärtus x = 0 ei liigu kokkupõrkeprotsessis kuigi palju, siseneva prootoni keskmine energia on ⟨K⟩ = (3/2) kT, nii et E = 1935 eV, tõkke tungimise tõenäosus on umbes 1,2 × 10 ^ -17. See võib tunduda äärmiselt väike arv, kuid pidage meeles, et tegemist on vesinikuaatomite makroskoopiliste kogustega. Kui ühel grammil statsionaarsetel aatomitel on üks gramm vesinikuaatomeid, võib eeldada, et toimub 7,2 miljonit termotuumasünteesi.

Täheühenduse konkreetsel juhul peame märkima, et kahe prootoni liitmine on alles esimene samm nn prootoni-prootoni tsüklis. Kaks vesiniku tuuma sulanduvad ja muutuvad väga ebastabiilseks seotud olekuks, mida nimetatakse diprotoniks, mille poolväärtusaeg on hinnanguliselt ~ 10 ^ -22 sekundit. Stabiilseks deuteeriumituumaks (mis sulandub seejärel heelium-3-sse ja seejärel lõpuks heelium-4-sse) peab üks prootonitest lagunema neutroniks, eraldades positroni ja elektronide neutriino. See protsess on veelgi ebatõenäolisem, kuid sellegipoolest suudavad tähed toota piisavalt energiat, kuna seal on lihtsalt nii palju vesinikuaatomeid. See olukord on eriti täheterminatsiooni korral ja lisaks vajaks see tuuma interaktsioonide pikka uurimist, nii et me ei kuluta selles artiklis palju rohkem aega.

Sõltumata sellest, millist termotuumasünteesiprotsessi me üritame indutseerida, olgu selleks kaks tavalist vesinikuaatomit või kaks deuteeriumi, deuteeriumi ja triitiumi aatomit või midagi muud, on see põhiline lähenemisviis: aatomite gaas kuumutatakse punktini, kus nende juhusliku termilise liikumise kineetiline energia on piisavalt suur, et tekitada neile piisavalt suur tunnelimuutus ja seega kokkupõrke korral sulada. Tähtede ühtesulamisel saadakse reaktsiooni esimeseks süttimiseks soojus hõõrdumise ja rõhu abil, kui kõik gaasi aatomid varisevad tähe moodustumisel sissepoole ja sealt saadakse ahelreaktsiooni abil vajalik soojus. Kunstfusioonis peame olema natuke loovamad. Praegu uuritakse kolme peamist tehnikat. Esimest nimetatakse neutraalseks kiirte sissepritsimiseks ja see protsess eraldab soojust, lastes plasmasse äärmiselt suure energiatarbega osakesi. Teises kasutatakse kiirelt võnkuvaid magnetvälju, et energiat plasmasse pumbata. Kolmas on ohmiline kuumutamine, mis kasutab ära juhi (näiteks plasma) kalduvust kuumeneda, kui selle kaudu juhitakse suurt voolu. Peamine lahendamata probleem on välja mõelda, kuidas reageerida nii, et termotuumareaktsioonid ise aitaksid hoida plasmat vajalikel temperatuuridel. Tõhus kuumutamine on termotuumasünteesi üks keskseid probleeme, eriti kuna kunstlik termotuumasüntees, mis nõuab kiiremat reaktsioonikiirust kui tähtfusioon, nõuab temperatuuri üle 100 miljoni kelvini.

Reaktorite tüübid

Siiani on see artikkel olnud üsna abstraktne ja mõnele võib see osutuda pisut tüütuks. Kuid nüüd on meil võimalus hakata seda konkreetsemaks muutma, rääkides mõnedest erinevat tüüpi termotuumasünteesi reaktoritest, mida täna uuritakse, mis loodetavasti on huvitavamad. Pange tähele, et erinevalt täheühenduse moodustumisest kasutavad peaaegu kõik kunstlikud reaktorid, mis toodavad heeliumi deuteeriumi ja triitiumi liitmise teel, kas DD-tsüklis (kaks deuteeriumi aatomit ühe heeliumi tootmiseks) või DT-tsüklis (üks deuteeriumi aatom ja üks triitium heeliumi tootmiseks).

Tokamak

Tokamaki reaktor on selle jaotise tehnoloogiatest ilmselt kõige paremini äratuntav. Nimi on venekeelne ja see on venekeelsete sõnade akronüüm “toroidaalkamber koos magnetiliste mähistega” või alternatiivselt “toroidaalkamber koos aksiaalse magnetväljaga”. Endises Nõukogude Liidus 1950ndatel välja töötatud Tokamak on termotuumasünteesireaktori kõige põhjalikumalt uuritud ja välja töötatud stiil ning on endiselt juhtiv kandidaat termotuumasünteesi suuremahuliseks tootmiseks.

Tokamaki reaktoril on toroidaalne (sõõrikujuline) kamber. Magnetvälju tekitavad joonisel olevad rohelised mähised ja plasma enda juhitav elektrivool. Saadud magnetväli on spiraalne ja seda tähistavad joonisel olevad tumelilla nooled. Seetõttu klassifitseeritakse see magnetilise kinnisreaktorina, see tähendab, et see kasutab plasma soojendamiseks ja hoidmiseks magnetvälju.

Tokamaki ja selle magnetväljade skemaatiline diagramm. Allikas: CCFE

Need on kõige levinum eksperimentaalne reaktor, maailmas on praegu umbes kolm tosinat. Kui ITERi Tokamak Prantsusmaal 2025. aastal valmib, on see suurim Tokamak maailmas.

Plasma MAST reaktoris Suurbritannias. Allikas: ITER.

Stelleraator

Stelleratori muster on veel üks magnetiline kinnitusseade, mis järgib sama peamist tööpõhimõtet nagu Tokamak, kuid võtmevahega. Plasma sisaldamiseks tekitab Tokamak spiraalse välja. See nõuab suure voolu läbimist läbi plasma ise. See põhjustab plasma muutumist vähem stabiilseks, suurendades magnetilise sulgumise ebaõnnestumise tõenäosust, peatades reaktsiooni ja kahjustades reaktorit. Stelleraator väldib seda, keerates pigem plasma ja reaktori ise, mitte tekitades keerduva magnetvälja.

Planeeritava Wendelsteini 7-X reaktori plasma (kollane) ja magnetvälja joone (roheline) skeem. Allikas: Wikimedia Commons

Enrico Fermi ja tema kolleegid tõid seda Tokamaki põhiprobleemi vahetult pärast Tokamaki kujunduse esmakordset esitamist. Kuid sellisel viisil reaktori kavandamine nõuab äärmiselt täpset arvutisimulatsiooni ja joonistamist, aga ka täpselt toodetud ülijuhtide mähiste tekitatavaid äärmiselt võimsaid magnetvälju, mis kõik polnud Fermi ajal kättesaadavad. See tehnoloogia oli saadaval alles 1990ndatel ja seetõttu sai Stelleratorit tõsiselt pakkuda vaid üsna hiljuti. 2015. aastal valminud Wendelstein 7-X Saksamaal on praegu suurim töötav Stellerator ja eeldatavasti saavutab see 2021. aastal pideva toimimise - termotuumasünteesi oluliseks verstapostiks.

Esimene plasma süttimine Wendelsteinis 7-X. Allikas: Max Plancki Instituut.

Otsesõit

See lähenemine on täiesti erinev kahest, millest me just arutasime. Otseajamiga reaktorit klassifitseeritakse inertsiaalseks suletud seadmeks. Inertse suletuse korral tarnitakse tahke kütuse graanulitele äärmiselt suured energiakogused, kuumutades graanuli äärmise temperatuurini. Pelletite välimine kiht aurustub ja plahvatab suure jõuga väljapoole ning seetõttu surub reaktsioonijõud tagasi sisse, luues lööklaine. See lööklaine vastutab saadud plasma kuumutamiseks ja piiritlemiseks kasutatava energia ja kokkusurumise eest. Peaaegu kõik hiljutised seadmed on kasutanud lasereid.

Inertsiaalse piirdeprotsessi lihtsustatud kujutamine. Allikas: Wikimedia Commons.

Seda protsessi näete diagrammil. 1. etapis kuumutavad laserid graanuli välimist kihti. 2. etapis aurustub välimine kiht ja tekitab lööklaine, mille tulemuseks on sisse- ja väljapoole suunatud jõud. Kolmandas etapis sunnivad lööklained graanulit sissepoole kokku kukkuma, indutseerides sulandumist etapis 4.

Seda lähenemisviisi uuritakse praegu USA riiklikus süüterajatises.

Inertset kinnist termotuumasünteesi on kritiseerinud mõned, kes väidavad, et see on tuumarelvade uurimise eesrind, mis on maskeeritud energiauuringuteks. See võib tõesti nii olla mõne konkreetse valitsuse osalise puhul (eriti NIF-i rahastab sama valitsusorgan, mis haldab tuumavaru), kuid kogu inertsiaalse sünnituse termotuumasünteesi valdkond on väga lai ja ICF on endiselt oluline ja aktiivne piirkond uurimistöö.

Kiirguse eelvõimendid NIF-is. Laser-süsteemi kasutati 500 teravati võimsuse tootmiseks, ehkki vaid pisikese aja jooksul. Allikas: Wikimedia CommonsNIF-süsteemi kütusegraanul. Allikas: Wikimedia Commons.

Farnsworthi fusor

Projektid, mida me seni arutasime, on olnud tohutud ettevõtmised, mille lootuses on kunagi loota saavutada vaid maailma suurimatele mõistustele, töötades institutsioonides tervete rahvusriikide rahalisel toel. Siin on üks, mida saate kodus proovida!

Noh, mitte päris. Füüsika ja elektroonika põhiteemadel on teil siiski vaja väga kindlat maandust. Projekt on sobiv kellelegi, kellel on vähemalt füüsika bakalaureuse kraad, ideaaljuhul töötab meeskonnas, eelarvega paar tuhat dollarit. Kuna mõõdikuteks on tase, milles tõenäoliselt tahaksite käia, pole füüsika peamiste äriühingute jaoks ennekuulmatu seda vanemate projektide jaoks üles ehitada.

Farnsworthi fusor ehk lihtsalt fusor erineb enamikust eksperimentaalsetest termotuumasünteesi seadmetest selle poolest, et selle eesmärk ei ole kasuliku energia genereerimine. Fusorid on lootusetult ebaefektiivsed. Neil on siiski mõni kasulikkus kui neutronkiirguse kompaktsed ja hõlpsasti kontrollitavad allikad. Nad teevad ka väga kena pilte.

Wisconsini-Madisoni ülikooli füüsikute ehitatud reaktor. Iseloomulik muster “täht purgis” on nähtav. Kujutise allikas: UWM.

Fusorid töötavad inertsiaalse elektrostaatilise piiramise teel. See protsess sarnaneb inertsiaalse sulgemisega, kuid see kasutab rõhulaine asemel elektrivälja. See on ka termotuumasünteesi saavutamise lihtsaim viis. Ühendatavad aatomid (enamus disainilahendusi kasutavad deuteeriumi, kuna see on suhteliselt odav) ioniseeruvad ja muutuvad seetõttu laetuteks. Elektrivälja loovad kaks kontsentrilist, vastassuunas laetud sfäärilist võre. Aatomid suunatakse välja poolt reaktori keskele, kus nad põrkuvad ja neil on väike võimalus sulanduda. Järgmine diagramm illustreerib seda protsessi, ehkki ainult ühes mõõtmes.

Inertsiaalse elektrostaatilise piirde lihtsustatud skeem.

Positiivselt laetud deuteeriumituumad langevad juhuslike termiliste liikumistega piirkondadesse, kus elektriväli asub. See on mõistlik hinnang, et elektriväli asub täielikult selles piirkonnas. Väli kiirendab neid keskpunkti poole. Neil puuduvad anoodivõred ja nende hoog viib neid edasi. Tuumad võivad sulanduda, kui nad keskelt kokku põrkuvad.

Fusoritel pole tõenäoliselt kunagi mingit rolli energiatootmises, kuid kuna need on väikesed, suhteliselt odavad ja kuna neid saab ehitada ja kasutada keegi, kellel pole plasmafüüsika doktorikraadi, on nad sellegipoolest intensiivse professionaalse ja amatöörliku uurimistöö objekt. Internetis on kasvanud väike, kuid õitsev kogu „Fusioneers” - kogukond, mis pärineb mitmekesisest taustast, sealhulgas professionaalsed füüsikud, teadushuvilised ja aeg-ajalt ka lapsevanemad.

Külmsulam ja muud kelmused

Kui ja kui termotuumasünteesi kasutatakse elujõulise energiaallikana, peetakse seda õigustatult inimkonna üheks suurimaks teadussaavutuseks ning kuulsus ja rikkused ootavad kindlasti teadlasi ja insenere, kes probleemi lõpuks lahendavad. Selle kahetsusväärne kõrvalmõju on see, et termotuumasünteesiuuringute ajalugu rikkuvad heatahtlikud, kuid liiga hüpeedilised projektid, mis lõpuks läbi kukuvad, kelmused, otsesed pettused ja tasuta energia vandenõuteoreetikud.

Kõige olulisem nende hulgas on niinimetatud „külmfusioon” ehk termotuumasünteesireaktor, mis väidetavalt toodab toatemperatuuril või selle läheduses netovõimsust. Kirjeldasime artiklis varem, miks termotuumasünteesi jaoks on vaja eriti kõrgeid temperatuure. Sellel teadusele praegu teadaoleval tõsiasjal ei saa kuidagi ümber minna, hoolimata paljude pooldajate poolt aastakümnete jooksul esitatud paljudest ja paljudest väidetest. Kõiki väiteid, et termotuumasünteesi on saavutatud toatemperatuuril või selle lähedal või tõesti mis tahes temperatuuril alla 10 miljoni kraadi, tuleks käsitleda tugeva skepsisega. Ainus erand sellest on muonkatalüüsitud termotuumasüntees - väga spekulatiivne, kuid kehtiv protsess, mis hõlmab absoluutse nulli lähedal toimuvaid reaktsioone.

Kahjuks on neid Interneti kohal hõljuvaid liiga palju, et kunagi loota, et suudan neid kõiki ümber lükata. RationalWikil on selle teema kohta kaks fantastilist artiklit:

  • Külm sulamine
  • Fusioon woo

Mis tahes väga tipptasemel tehnoloogiaga seotud meediuminõuete hindamisel on parem olla optimistlik, kuid samas piisavalt skeptiline ning praeguses olukorras on optimistlikuks põhjust. Sellegipoolest olge alati ettevaatlik, et satuksite meedia hüpe ja soovmõtlemise lõksu, ning ärge kunagi usaldage kedagi, kes üritab teid veenda milleski, mis kõlab liiga hästi, et tõsi olla.

Kuhu me siit läheme?

On põhjust arvata, et termotuumasünteesi võimsus on võimalik ja see võib olla meie elu jooksul energiavarustuse põhikomponent. Küsimus pole enam tehnilises ja teaduslikus teostatavuses, see on majanduse ja poliitika küsimus. Ameerika Ühendriikides on meil praegu valitsus, mis on üha enam huvitatud teadusuuringute rahastamisest ja jääb fossiilkütuste tööstuse hätta. Globaalsel areenil ohustavad natsionalistlikud ja reaktsioonilised liikumised rahvusvaheliste pingutuste edenemist uue ja säästva tehnoloogia koostööks ja arendamiseks. Kasumipõhiste energiaettevõtete jaoks ei jäta külm majanduslik arvestus lihtsalt mingit motivatsiooni tehnoloogilise olukorra muutmiseks. Kui me tahame termotuumasünteesi ja kui kliimamuutuste oht iga päevaga süveneb, vajame termotuumasünteesi, siis nõuab see poliitilisi meetmeid.

On põhjust loota. Euroopa Liidus toimunud arengud on tuumasünteesi spekulatsiooni valdkonnast välja toonud ja termotuumasüntees on nüüd lähituleviku väljavaade. Noor ja energiline progressiivne liikumine on ärritunud ja võidab nüüd valimised ning agiteerib agressiivselt nii teaduse kui ka keskkonna arengu nimel. Fossiilkütuste tööstus on lõpuks hakanud ühiskonnast haarama, kuna alternatiivid muutuvad elujõulisemaks ning nafta- ja söetarnete geopoliitika ebastabiilsemaks. Edusammud on aeglased ja stabiilsed, kuid on põhjust arvata, et termotuumasüntees annab meie elule elu meie kodus.

Lõppmärkused / rambistamine

Kui olete sellega kaugele jõudnud, siis suur tänu lugemise eest. Olen selle ajaveebi viimasel ajal lihtsalt unarusse jätnud ja vabandan selle pärast. Positiivse poole pealt mõtlesin välja, kuidas LaTeXis silmuseid kasutada, samal ajal selle artikli graafikat tehes, mis oli kena. Loodetavasti saan varsti sellele rohkem tähelepanu pöörama. Ma ütlen pidevalt, et proovin vähemalt ühe artikli nädalas välja panna, kuid asjadel on kombeks takistada. Kavatsen nüüd oma Essence of Quantum Mechanics sarja uuesti alustada, kui mul on olnud häid mõtteid stiili ja lähenemisviisi kohta, mida peaksin kasutama, ja suunda, kuhu peaksin seda suunama.

Nagu alati, vastutan ilmnenud vigade eest täielikult ja hindan parandusi.