A termonukleáris fúzió

A fentiekben láthattuk, hogy a csillagok hatékonyan szabadítják fel az atommagok egye-sítése révén kinyerhető energiát. Az emberiségnek is sikerült ez már részben, békés és háborús céllal is. Amagfúziós energiafelszabadulásonalapuló bombát Neumann Já-nos számításai nyomán Teller Ede és Stanislaw Ulam csoportja fejlesztette ki 1951-ben, és 1952-ben végezték az első kísérleti robbantást. 1955-re a Szovjetúniónak is sikerült ki-fejleszteni egy hasonló elven működő bombát, később az Egyesült Királyság, Franciaor-szág és Kína is sikerrel járt. A Teller–Ulam-féle „hidrogénbomba” indítója egy hasadásos atombomba, ezzel érik el a megfelelő energiakoncentrációt a fúzió beindulásához, ahogy azt az 55. ábra illusztrálja. A hasadással működő atombomba felszabadult energiája hő-energiaként, javarészt röntgensugarak formájában fénysebességgel terjed (míg az egész szerkezetet végül szétvető lökéshullám ennek töredékével, körülbelül hangsebességgel).

A bomba külső köpenye nehézfémből (pl. urán) készül, ez a röntgensugárzást visszaveri és a fúziós üzemanyag (szintén nehézfém, leginkább urán) burkolatára „fókuszálja”. Ez utóbbi burkolat eleinte hidegen tartja a benne lévő fúziós üzemanyagot, majd részben

Ősrobbanás

Kozmikus sugárzás keltette hasadás Felrobbanó nehéz csillagok Felrobbanó fehér törpék Egyesülő neutroncsillagok Haldokló könnyű csillagok

Gyorsan bomló magok, csillagokból nem maradtak fent

54. ábra. A Naprendszerben előforduló egyes elemek fő forrása az Univerzumban: az ősrob-banás, a kis vagy nagy csillagok fejlődése, szupernóvarobbanások vagy a kozmikus sugárzás.

Egyes elemek, noha keletkeznek csillagokban, alacsony felezési idejük miatt csak egyéb forrásból lehetnek jelen a Földön. Az ábra forrása a J. A. Johnson Science363474 (2019) cikke.

Primer (hasadó)

bomba

Szekunder (fúziós) bomba

Kémiai robbanótöltet U-238 köpeny Vákuum

Uránkéregbe zárt neutronforrás

U-238 köpeny Fúziós üzemanyag Plutóniumtöltet Visszaverő tartály

55. ábra.A Teller–Ulam-féle termonukleáris bomba vázlata. A konstrukció működését lásd a szövegben.

elpárologva (mintegy „befelé fordított rakétaként”) kellően összenyomja azt. A fúziós üzemanyag lítium-deutérium keverék (LiD só), ennek közepén egy plutóniumtöltet van, ami ezen a ponton maghasadásos bombaként felrobban, ami a lítiumból neutronokkal tríciumot (T) termel, és az optimális D+T keveréket felfűti a fúzió hőmérsékletére.

Az itt lezajló fúzió lényegében az egész rendelkezésre álló D+T üzemanyag-keveréket elfogyasztja, ezzel a bomba által felszabadított energia jelentős részét szolgáltatva. A fú-zióban keletkező gyors neutronok végül maghasadásokat indukálnak a fúziós üzemanyag uránköpenyében is: a modern termonukleáris bombák energiájának több mint 50%-át ez utóbbi folyamat adja (ezért kicsit félrevezető a szokásos „hidrogénbomba” elnevezés).

Adott nagyságú atomrobbanást a legcélszerűbb és legolcsóbb ilyen termonukleáris fegy-verekkel elérni (ha már a technológia ismert): az atomfegyverrel rendelkező országok nagy részének fő csapásmérő ereje ilyen típusú termonukleáris robbanófejekből áll.

A fúziós bombát beindító hasadó bomba előállításához urándúsításra vagy plutóni-umtermelésre van szükség, ezért ennek létrehozását könnyű nemzetközi felügyelet alá helyezni. Létezik egy hipotetikus bombafajta, a tisztán fúziós bomba is, amelyben a szükséges millió fokos hőmérsékletet nagy teljesítményű lézerrel vagy más módszerrel hozzák létre. Ebben az esetben radioaktív kihullás sem nagyon keletkezne, csak giganti-kus mennyiségű hő. Az ilyen bomba megépítése könnyebben titokban tartható lenne – ugyanakkor szerencsére ennek olyan műszaki akadályai vannak, amelyeket jelenleg még senki sem tudott legyőzni.

A hőmozgáson alapuló fúziós reakcióttermonukleáris fúziónak hívjuk. Hogy ez stabilan bekövetkezhessen, az óriási energiasűrűségre, azaz extrém hőmérsékletre van szükség. A Nap belsejében a térfogategységre eső energiafelszabadulás nem túl nagy, köbméterenként kb. 17 watt – ez egy átlagos LED fényforrás jellemző teljesítménye.

Ha földi alkalmazásokhoz is jelentős energiafelszabadulást akarunk elérni, akkor még a Nap belsejében lévőnél is nagyobb hőmérsékletet kell létrehozni. Ezt nyilván nehéz megoldani, mert semmilyen tartály nem bír ki ekkora hőmérsékletet, illetve kapcsoló-dóan nagy nyomást. A csillagokban a gravitáció tartja össze az anyagot, míg a Földön mágneses térbenlehetséges ezt megoldani, például egytóruszban áramló plazma formájában. Ennek egy megoldásáttokamaknakhívják (az elnevezés a megfelelő orosz nyelvű kifejezés rövidítéséből állandósult), ilyeneket sikerült már építeni és rövid ideig üzemeltetni (egy tokamak vázlatos rajzát lásd az 56. ábrán). A tokamakban áramló deuteron-triton plazmakeverék kezdeti felhevítését mágnes által indukált árammal vég-zik. A jelenlegi legnagyobb tokamak a JET (Joint European Torus), amely 16 MW teljesítményt tudott leadni egy másodpercig, 24 MW befektetése melett. Már építik az ITERnevű tokamakot is, amely 2027-ben lehet kész, és 1000 másodpercig fog tudni 500 MW energiát termelni, 50 MW befektetése mellett. Ezt követi majd aDEMOnevű reaktor, amely 2 GW-ot fog tudni termelni, és a tervek szerint bekapcsolják majd az elektromos hálózatba. Az ITER (és főleg a DEMO) kivitelezése azonban bizonytalan, még számos technikai problémát kell leküzdeni ahhoz, hogy valóban megvalósuljon.

Érdemes megemlíteni, hogy más úton is kutatják a fúzió lehetőségét: például az USA Lawrence Livermore Labortóriumában kísérleteznek olyan nagy energiájú lézerek-kel, amelyek képesek arra, hogy egy D+T golyóra fókuszálva azt befelé összenyomják, annyira, hogy azt a fúzió (ilyenkor rövid) ideje alatt a saját mechanikai tehetetlensé-ge kellően összetartsa. Jelenleg még kérdéses, hogy ezen az elven energiatermelő fúziós reaktor építhető-e. (Az említett amerikai kísérleti eszköz neve National Ignition Faci-lity, „nemzeti begyújtó berendezés”, de más országokban is vannak hasonló kísérletek.

Vákuumtartály Poloid tekercs Központi szolenoid

Plazmaáram Mágneses

mező Plazma Toroid tekercs

56. ábra.Egy tokamak vázlata (forrás: Wikimedia Commons). Egy hélikus, spirális mágneses tér alakul ki a tórusz alakú vákuumtartályban, amely fókuszálja és stabilan tartja a százmillió fokos plazmát. Ebben folyamatosan zajlik a fúzió. A tórusz fala elnyeli a fúzióban termelődő hatalmas energiájú neutronokat (ezeket a mágneses tér kiengedi): az itt keletkező hőt lehet(ne) elektromos energiatermelés céljából hasznosítani.

Ezek az ilyen kutatás mellett a hadászati termonukleáris bombák fizikáját is kutatják.) További érdekes megoldás a sztellarátor nevű berendezés, amely bonyolult, egyedi to-pológiájú mágneses térben áramoltatja a plazmát – erre példa a Wendelstein 7-X nevű eszköz Németországban.

Ha sikerülne bármelyik fent említett megoldással stabilan működő fúziós erőmű-vet létesíteni, igen kedvező feltételekkel (a kinyert energiához képest kevés nyersanyag-befektetés és kevés káros anyag keletkezése mellett) lehetne elektromos energiát ter-melni. Hasonlítsuk össze a különféle termelési/tárolási módszerekkel egységnyi anyag befektetése mellett kinyerhető energiát:

• Kémiai reakciók:≤150 MJ/kg

• Maghasadás erőműben: 10⁶MJ/kg

• Maghasadás atombombában: 10⁸MJ/kg

• Fúzió: 10⁷–10⁹ MJ/kg

• Anyag + antianyag:c²= 10¹¹MJ/kg

Itt természetesen nem mindegy, hogymilyen anyagotkell befektetni. A fosszilis tüze-lőanyagokelfogyhatnak nem túlságosan sokára, az urán lassabban fogy, és helyette-síthető plutóniummal vagy tóriummal, ahogy fent láttuk. Hidrogénből lényegesen több van. Az antianyagot csak az összehasonlítás kedvéért tettük ide – üzemanyagként hasz-nosítható antianyag mint nyersanyag egyáltalán nem áll rendelkezésre. Fontos szempont még ahatékonyságéskárosanyag-termelődés is – minden szempontból optimális lehetne a fúziós reaktor, azonban egyelőre kétséges, hogy mikorra tudjuk legyőzni a technikai akadályokat. Hangsúlyozzuk tehát, hogy mindenképpen ebben az egyszerű táblázatban mutatott értékeknél alaposabb átgondolást igényel, ha valamilyen energia-termelési mód (egyszer majd talán megvalósuló) hatékony működése mellett érvelünk.

11. A részecskefizika alapjai

Ahogy a korábbi fejezetekben láttuk, az anyag atomokból áll, az atomok pedig proto-nokból, neutronokból és elektronokból. Felmerül a kérdés, hogy ezek a részek tovább bonthatóak-e – és ahogy kiderült (és ahogy alább valamelyest tovább részletezzük):

igen, a protont és a neutront kvarkok és gluonok alkotják, és az erős kölcsönhatás tartja őket össze. A részecskefizika ilyen jellegű kérdéseket tesz fel, azaz hogy mik az anyag alapvető építőkövei, és ezek között milyen kölcsönhatások lépnek fel. Érdemes megemlí-teni, hogy az alapvetőnek gondolt építőkövek száma a tudomány eddigi története során mintegy ciklikusan változott: az ókorban négy „elemet” írtak le (föld, víz, levegő, tűz), majd a középkorban rengeteg különböző anyagot ismertek meg. Dalton a sokféle anya-got újfajta módon, vegyületként, kémiaielemeket bevezetve írta le: ezekből körülbelül 30-at talált, ahogy a jegyzet elején láttuk. Ilyen elemből egyre többet ismertek meg, a XIX. század végére az elemek periódusos rendszere közel 100 elemű lett. Ezen rendszer szabályosságából jöttek rá, hogy valójában az elemek (atomok) is részekből állnak: elekt-ronok, protonok és neutronok alkotják őket. Ezen három eleminek gondolt rész azonban nem sokáig „maradt egyedül”: a XX. század közepére százas nagyságrendben ismertek meg ezekhez hasonlóhadronokatésleptonokat. Ezeket szintén táblázatokba rendezték, amelyek szabályosságából viszont ezek építőköveire, a kvarkokra következtettek. Erede-tileg úgy tűnt, kétféle kvark alkotja az ismert anyagot, mára azonban elemi kvarkból és leptonból is rengeteg fajta ismert – ezeket is táblázatba rendezzük, ez a részecs-kefizika jelenleg kísérletileg bizonyított részének, az ún. standard modellnek az alapja (ahogy alább kifejtjük). Hogy a történetnek itt vége van-e, avagy az eleminek gondolt részecskék száma nemsokára ismét lecsökken-e (a most „tényleg eleminek” gondolt ré-szecskéink esetleges további belső építőköveinek feltárásával) – ezen kérdés vizsgálata már a részecskefizikusok mai generációinak feladata. Ebben a fejezetben az idáig vezető részecskefizikai felfedezéseket tekintjük át.