Znanost svakidašnjice o fuziji Understand article
Istražite znanstvenu pozadinu sigurnog iskorištavanja energije fuzije atomskih jezgri - procesa koji su energijski izvor zvijezda.
Potraga za energijom fuzije, održivim i vrlo izdašnim izvorom energije bilo je izazovno putovanje radi vrlo složene tehnologije koja bi nas dovela do zvjezdane energije. Ipak, neki osnovni pojmovi o fuziji analogni su poznatim stvarima koje viđamo u našim domovima, na ulicama i u prirodi.
Fuzijska energija nastaje spajanjem atoma. Isti taj proces pokreće Sunce i ostale zvijezde.
Slika: Wykis/Wikimedia, Javna domena
Znanstvenici diljem svijeta rade na razvijanju načina za iskorištavanje ove energije na Zemlji. Jedna od metoda koja najviše obećava je korištenje uređaja koji se naziva ‘tokamak’.
Tokamak
Tokamak je uređaj u kojem se mala količina plinovitog vodika zagrije do vrlo visokih temperatura pri kojoj elektroni napuštaju atome. Ova smjesa nabijenih čestica naziva se ‘plazma’. Plazma se sastoji od vodikovih jezgara, od kojih se neke spajaju tvoreći helij i pritom oslobađaju veliku količinu energije. Cilj tokamaka je stvoriti uvjete da se ovakva fuzijska reakcija odvija na održiv način i proizvodi značajnu količinu energije koja bi se mogla koristiti za napajanje domova i gradova u budućnosti.
Tokamak je pojam koji bi mogao zvučati kao da je izvučen iz znanstveno-fantastičnog romana, ali zapravo je stvarna tehnologija koju znanstvenici koriste da otključaju snagu zvijezda i stvore novi izvor energije ovdje na Zemlji. Tokamak je torusnog oblika tj. kružnog oblika s rupom u sredini. Drugim riječima, radi se o ogromnom uređaju u obliku američke krafne!
Silka: EUROfusion, CC BY 4.0
Fuzijski rekord
Jedan od najpoznatijih tokamak uređaja je Zajednički europski torus , JET (Joint European Torus) smješten u Culhamu, Velika Britanija, koji se koristi isključivo za EUROfusion istraživanje. JET je najveći tokamak na svijetu i bio je ključan u unaprijeđenju našeg razumijevanja fuzijske energije.
Od svih tokamaka trenutno u funkciji, samo JET tokamak kao gorivo može koristiti i deuterij i tricij. Ovo je gorivo planirano za gotovo sve buduće dizajne prve generacije fuzijskih elektrana. Deutrij je u ogromnim količinama dostupan u morskoj vodi, dok se tricij može dobiti iz obilno zastupljenog metala litija. S deuterijem i tricijem, EUROfusion istraživači postigli su najveću fuzijsku energiju i fuzijsku snagu ikad proizvedenu tokamakom u JET-u.
Izotopi
Izotop je poput tajnog agenta među atomima. Atomi se sastoje od protona, neutrona i elektrona. Izotopi su atomi istog elementa (npr. vodik, ugljik), ali s različitm brojem neutrona. Izotopi istog elementa imaju isti broj protona, zbog čega imaju ista kemijska svojstva, ali različit broj neutrona, zbog čega imaju različita fizikalna svojstva.
Silka: Dirk Hünniger/Wikimedia, CC BY-SA 3.0
Kontrola plazme
Tokamak je složen uređaj, ali mnoge tehnologije koje koristi mogu se pronaći u znanosti svakidašnjice. Na primjer, plazma u tokamaku je slična munji koja se opaža tijekom grmljavinske oluje ili užarenom plinu u fluoroscentnoj cijevi.
Silka: Dmitry G/Wikimedia, CC BY-SA 3.0
Plazma se sastoji od negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijenih jezgara. Ove nabijene čestice mogu se zadržavati unutar vakuumske komore tokamaka bez da diraju zidove, zahvaljujući jakim magnestkim poljima. Unutar tokamaka, čestice plazme su zagrijane do ekstremno visokih temperatura do 150 milijuna stupnjeva Celzijevih. Ovo je mnogo toplije od Sunčeve jezgre, za koju se procjenjuje da iznosi 15 milijuna stupnjeva Celzijevih.
Sliku je ustupio EUROfusion
Magnetski sustav koji u tokamaku zarobljava plazmu sličan je načelima koji se koriste u elektromotoru. Električni motor koristi magnetsko polje za stvaranje pokreta, a tokamak koristi sličan koncept za držanje plazme na pravom mjestu. Magneti stvaraju jako magnetsko polje koje okružuje plazmu, zarobljavajući je u centru tokamaka. Budući tokamaci će koristiti supravodljive magnete, koji su izrađeni od posebnih materijala koji mogu električnu struju provoditi bez ikakvih gubitka energije.
Sliku je ustupio EUROfusion
Zagrijavanje
Jednom kad je plazma uhvaćena u magnetski kavez, vrijeme je da se počne zagrijavati. Jedan od načina da se to napravi je korištenje mikrovalova poput onih koji se koriste u vašoj mikrovalnoj pećnici. Ipak, mikrovalovi u tokamaku imaju mnogo višu frekvenciju i energiju od onih u vašoj kuhinjskoj mikrovalnoj pećnici. Oba uređaja koriste elektromagnetske valove poput radiovalova, ali viših frekvencija/kraćih valnih duljina. Jedno svojstvo ovih valova je mogućnost da pomiču čestice, što zagrijava plazmu tjerajući čestice da se gibaju brže i međusobno sudaraju međusobno većom silom, što povećava vjerojatnost fuzijske reakcije. To je slično zagrijavanju hrane u kuhinjskoj mikrovalnoj pećnici.
Jedan od najvećih izazova u razvijanju fuzijske energije je postizanje stabilne fuzijske reakcije. Znanstvenici moraju biti sigurni da je plazma dovoljno zagrijana i da je magnetsko polje dovoljno jako da drži plazmu zarobljenu u tokamaku dovoljno dugo da proizvede značajnu količinu energije. EUROfusion istraživači u JET-u postigli su značajan napredak u ovom području i održavali fuzijske reakcije nekoliko sekundi bez prekida. Budući tokamaci, poput Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) zamišljeni su tako da stvaraju visokoenergetsku plazmu u neprekidnom trajanju između 15 i 60 minuta.
Zajednički europski torus
Zajednički europski torus (Joint European Torus, JET) je stari, ali moćni stroj koji je bio ključni igrač za unaprjeđenje našeg razumijevanja fuzijske energije. Ali, kao ni svaka tehnologija, nije savršen. JET koristi magnete koji nisu supravodljivi, što znači da se brzo zagrijavaju i kod visokoenergetske plazme magneti mogu raditi samo oko pet sekundi. Ali ne brinite, znanstvenici su radili na novim i poboljšanim verzijama tokamaka i osmislili nešto što mijenja igru: supravodljive magnete. Ovi posebni magneti mogu provoditi struju bez gubitka energije i, još važnije, bez da se sami zagrijavaju. Ovo znači da se budući tokamaci sa supravodljivim magnetima neće suočiti s istim ograničenjima poput JET-a i moći će raditi dulji period, dovodeći nas korak bliže tome da fuzijska energija postane stvarnost.
Silka: EFDA JET/Wikimedia, CC BY-SA 3.0
Hlađenje
Još jedan važna stvar kod tokamaka je sustav hlađenja. Tokamak poput JET-a stvara veliču količinu topline, koja se treba odvesti kako bi se spriječilo oštećenje stroja. JET tokamak prvenstveno koristi inercijsko hlađenje, ali također ima ograničeni sustav hlađenja vodom za odvođenje topline iz svog divertora, što je slično sustavima hlađenja koji se danas koriste u elektranama.
U budućnosti, cilj je da fuzijske elektrane koriste toplinu proizvedenu fuzijskim reakcijama za pokretanje parnih turbina i proizvodnju električne energije. One će transformirati proces koji pokreće zvijezde tako da možemo proizvesti čistu električnu energiju na Zemlji.
Znanost svakidašnjice u tehnologiji tokamaka
Tokamak je složen stroj koji koristi kombinaciju tehnologija za zadržavanje i zagrijavanje plazme i stvaranje uvjeta za odvijanje fuzijskih reakcija. Mnoge tehnologije korištene u JET tokamaku mogu se povezati sa znanošću svakidašnjice, poput plazme koja se vidi kao munja u olujama, načela koji stoje iza rada električnih motora i korištenja mikrovalova u kuhinjskim mikrovalnim pećnicama. Izazov je razviti i optimizirati sve te tehnologije i povezati ih u stabilan sustav. To je zadatak koji zahtijeva opsežnu suradnju između inženjera i znanstvenika iz širokog spektra područja. Iako je postizanje cilja stabilnih fuzijskih reakcija i praktičnog izvora energije još uvijek u tijeku, EUROfusion istraživanje tokamaka kao što je JET dovodi nas bliže tome da fuzijska energija postane stvarnost.
Resources
- Pronađite resurse za poučavanje fuzije na mrežnoj stranici EUROfusiona.
- Mrežna stranica FuseNet sadrži obrazovni materijal uključujući tečajeve, knjige, eksperimente, multimediju, recenzije i radove o fuziji.
- Istražite ITER tokamak na mrežnoj stranici Fusion for Energy. Kliknite na komponente kako biste saznali više o svakoj od njih.
- Upotrijebite plazma kugle za demonstraciju – na zabavan način – puno zanimljive fizike: Yáñez González (2016) Plasma: The fourth state. Science in School 37: 50–55.
- Koristite mikrovalove za spektakularne pokuse u učionici: Stanley H (2009) Microwave experiments at school. Science in School 12: 30–33.
- Pročitajte o JET eksperimentu koji je po prvi put demonstrirao stabilnu visoku snagu fuzije: Warrick C (2022) JET sets new fusion energy record. Science in School 57.
- Naučite više o Suncu i njegovom izvoru energije: Tiele Westra M (2006) Fusion in the Universe: the power of the Sun. Science in School 3: 60–62.
- Otkrijte kako se bespilotne letjelice koriste za popravak fuzijskih uređaja: Kidambi M (2017) Fusion drones: robot technicians for nuclear devices. Science in School40: 8–11.
- Saznajte više o razlici između fuzije i fisije: EUROfusion (2021) Fusion vs fission. Science in School51.
- Naučite više o heliju i zašto ga moramo čuvati: Lord M (2021) Elements in focus: helium. Science in School 53.
Institutions
Review
Neka pitanja za razumijevanje koja se mogu koristiti nakon nastave:
- Navedite što se podrazumijeva pod fuzijskom reakcijom
- Objasnite značenje riječi torus
- Odakle se može dobiti deuterij?
- Navedite što se podrazumijeva pod izotopom
- Navedite izazove dobivanja energije fuzijskim reakcijama
- Navedite prednosti stvaranja energije fuzijskim reakcijama.