Shkenca e përditshme e bashkimit berthamor Understand article

Author(s): Karl Tischler, Gieljan de Vries
Translator(s): Alessia Pepa

Eksploroni shkencën e përditshme pas kërkimit për të shfrytëzuar energjinë bërthamore– energjinë që fuqizon yjet – në një mënyrë të sigurt këtu në Tokë.

Kërkimi për energjinë e bashkimit bërthamor, një burim energjie potencialisht i qëndrueshëm dhe i bollshëm, ka qenë një udhëtim sfidues për shkak të teknologjisë së ndërlikuar të nevojshme për të shfrytëzuar energjinë e yjeve. Megjithatë, disa nga konceptet bazë të bashkimit bërthamor janë analoge me gjërat e njohura që shohim në shtëpitë tona, në rrugë dhe në natyrë.

Energjia e bashkimit bërthamor është një formë fuqie që krijohet nga bashkimi i atomeve së bashku. Ky është i njëjti proces që fuqizon diellin dhe yjet e tjerë.

Shkrirja e deuteriumit (²H) me tritiumin (³H) krijon helium-4 dhe një neutron dhe lëshon 17,59 megaelektron volt (MeV) si energji kinetike e produkteve. Një sasi përkatëse e masës zhduket, në përputhje me E=mc2 (energjia është e barabartë me masën me shpejtësinë e dritës në katror).
*Imazhi: Wykis/Wikimedia*, *Domain* *Publik*

Shkencëtarët në mbarë botën kanë punuar për të zhvilluar një mënyrë për të shfrytëzuar këtë energji në Tokë. Një nga metodat më premtuese për ta arritur këtë është përdorimi i një pajisjeje të quajtur ‘tokamak’.

Tokamaks

Një tokamak është një makinë në të cilën një sasi e vogël e gazit hidrogjen nxehet në një temperaturë shumë të lartë në të cilën elektronet shkëputen nga atomet. Kjo përzierje e grimcave të ngarkuara quhet “plazma”. Plazma përbëhet nga bërthama hidrogjeni, disa prej të cilave bashkohen për të formuar helium dhe lëshojnë një sasi të madhe energjie në proces. Qëllimi i tokamak-ut është të krijojë kushte që ky reagim i shkrirjes të zhvillohet në mënyrë të qëndrueshme dhe të gjenerojë një sasi të konsiderueshme energjie që mund të përdoret për të fuqizuar shtëpitë dhe qytetet në të ardhmen.

Tokamak është një term që mund të tingëllojë sikur është dalë nga një roman fantastiko-shkencor, por në fakt është një teknologji e botës reale që shkencëtarët po përdorin për të zhbllokuar fuqinë e yjeve dhe për të krijuar një burim i ri energjie këtu në Tokë. Një tokamak është në formë unaze, që do të thotë se është rrethor me një vrimë në mes. Me fjalë të tjera, është një pajisje e madhe në formë petulle!

Një ilustrim i tokamakit JET i përdorur nga studiuesit e EUROfusion
*Imazhi:* *EUROfusion*, *CC BY 4.0*

Rekord bashkimesh bërthamore

Një nga makinat më të njohura tokamak është Joint European Torus (JET) i vendosur në Culham, MB(Mbretëri e Bashkuar), dhe përdoret ekskluzivisht për kërkimin EUROfusion. JET është tokamaku më i madh në botë dhe ka qenë i dobishëm në avancimin e të kuptuarit tonë të energjisë së bashkimit bërthamor. Nga të gjitha tokamakët aktualisht në funksion, vetëm tokamak JET mund të përdorë si lëndë djegëse deuterium (²H) dhe tritium (³H). Ky është karburanti i planifikuar për pothuajse të gjitha modelet e ardhshme të termocentraleve me shkrirje të gjeneratës së parë. Deuteriumi është i disponueshëm në sasi të mëdha në ujin e detit, ndërsa tritiumi mund të krijohet nga litiumi i bollshëm metalik. Me deuterium dhe tritium, studiuesit e EUROfusion arritën energjinë dhe fuqinë më të lartë të bashkimit bërthamor të prodhuar ndonjëherë nga një tokamak në JET.

Izotopet

Një izotop është si një agjent sekret midis atomeve. Atomet përbëhen nga protone, neutrone dhe elektrone. Izotopet janë atome të të njëjtit element (p.sh., hidrogjeni, karboni), por me një numër të ndryshëm neutronesh. Izotopet e të njëjtit element kanë të njëjtin numër protonesh, gjë që u jep atyre të njëjtat veti kimike, por një numër të ndryshëm neutronesh, gjë që u jep atyre veti fizike të ndryshme.

Kontrolli i plazmës

Tokamak është një makinë komplekse, por shumë nga teknologjitë e përdorura në të mund të gjenden në shkencën e përditshme. Për shembull, plazma në tokamak është e ngjashme me rrufenë që shihet gjatë një stuhie ose gazin e nxehtë në një tub fluoreshent.

Një llambë fluoreshente është një shembull i përditshëm i plazmës. Rryma elektrike rrjedh nëpër tub në një shkarkim të harkut me presion të ulët. Elektronet përplasen dhe jonizojnë atomet e gazit fisnik brenda tubit rreth filamentit për të formuar një plazmë.
Imazhi: Dmitry G/Wikimedia, CC BY-SA 3.0

Plazmat përbëhen nga elektrone të ngarkuar negativisht dhe bërthama të ngarkuara pozitivisht. Këto grimca të ngarkuara mund të mbahen brenda dhomës së vakumit të një tokamaku pa prekur muret, falë fushave të fuqishme magnetike. Brenda tokamakut, grimcat e plazmës nxehen në temperatura jashtëzakonisht të larta deri në 150 milionë gradë Celsius. Kjo është shumë më e nxehtë se bërthama e Diellit, e cila vlerësohet të jetë rreth 15 milionë gradë Celsius.

Pamja e brendshme e tokamak JET mbivendosur me një imazh të një plazme të marrë me një video-kamerë me spektër të dukshëm.
*Imazhi është dhënë nga EUROfusion*

Sistemi i izolimit magnetik në tokamak është i ngjashëm me parimet e përdorura në një motor elektrik. Një motor elektrik përdor një fushë magnetike për të krijuar lëvizje dhe tokamak përdor një koncept të ngjashëm për të mbajtur plazmën në vendin e duhur. Magnetët krijojnë një fushë të fortë magnetike që rrethon plazmën, duke e zënë atë në qendër të tokamakut. Tokamakët e ardhshëm do të përdorin magnet superpërçues, të cilët janë bërë nga materiale të veçanta që mund të përcjellin elektricitetin pa humbur asnjë energji.

Skema e një tokamak: mbështjelljet magnetike (blu dhe gri) përdoren për të kontrolluar plazmën e shkrirjes (rozë)
*Imazhi është dhënë nga EUROfusion*

Ngrohja

Pasi plazma është kapur në një kuti magnetike, është koha për të filluar ngrohjen e saj. Një mënyrë për ta bërë këtë është duke përdorur mikrovalë të ngjashme me ato të përdorura në kuzhinën tuaj. Megjithatë, mikrovalët në tokamak janë me një frekuencë dhe fuqi shumë më të lartë se ato që gjenden në mikrovalën e kuzhinës suaj. Të dy përdorin valë elektromagnetike si valët e radios, por me një frekuencë më të lartë/gjatësi vale më të shkurtër. Një veti e këtyre valëve është aftësia për të bërë grimcat të lëvizin, gjë që ngroh plazmën duke i bërë grimcat të lëvizin më shpejt dhe të përplasen së bashku me më shumë forcë, gjë që e bën reaksionin e bashkimit më të mundshëm. Kjo është e ngjashme me ngrohjen e ushqimit në mikrovalën e kuzhinës.

Një nga sfidat më të mëdha në zhvillimin e energjisë së bashkimit bërthamor është arritja e një reagimi të qëndrueshëm të bashkimit. Shkencëtarët duhet të sigurohen që plazma të jetë mjaft e nxehtë dhe fusha magnetike të jetë mjaft e fortë për ta mbajtur plazmën të mbyllur në tokamak për një kohë të mjaftueshme për të gjeneruar një sasi të konsiderueshme energjie. Studiuesit e EUROfusion në JET kanë bërë përparim të rëndësishëm në këtë fushë dhe kanë arritur reagime të qëndrueshme të shkrirjes për disa sekonda në një kohë. Tokamakët e ardhshëm, si pajisja e Reaktorit Ndërkombëtar Termonuklear Eksperimental (ITER), janë krijuar për të krijuar plazma me energji të lartë për pesëmbëdhjetë deri në gjashtëdhjetë minuta në të njëjtën kohë.

Joint European Torus (Torusi I Përbashkët Europian)

JET, Joint European Torus, është një makinë e vjetër por e fuqishme që ka qenë një lojtar kyç në avancimin e të kuptuarit tonë për energjinë e shkrirjes. Por, si gjithë teknologjia, nuk është perfekte. JET përdor magnet që nuk janë superpërçues, që do të thotë se nxehen shpejt dhe me plazma me energji të lartë magnetët mund të funksionojnë vetëm për rreth pesë sekonda. Por mos u shqetësoni, shkencëtarët kanë punuar në versione të reja dhe të përmirësuara të tokamak dhe ata kanë dalë me një ndryshim të lojës: magnet superpërçues. Këta magnetë të veçantë mund të përcjellin energjinë elektrike pa humbur asnjë energji dhe, më e rëndësishmja, pa u ngrohur. Kjo do të thotë që tokamakët e ardhshëm me magnet superpërcjellës nuk do të përballen me të njëjtat kufizime si JET dhe do të jenë në gjendje të funksionojnë për periudha më të gjata kohore, duke na sjellë një hap më afër për ta bërë realitet energjinë e bashkimit bërthamor.

Joint European Torus (JET), tokamak më i madh aktualisht që operon, i cili ka qenë në funksion që nga viti 1983
*Imazhi: EFDA JET/Wikimedia, CC BY-SA 3.0*

Mbajtja ftohtë

Një aspekt tjetër i rëndësishëm i tokamak është sistemi i ftohjes. Një tokamak si JET gjeneron një sasi të madhe nxehtësie, e cila duhet të hiqet për të parandaluar dëmtimin e makinës. Tokamak JET kryesisht përdor ftohje inerciale, por gjithashtu ka një sistem të kufizuar të ftohjes së ujit për të hequr nxehtësinë nga divertori i tij, i cili është i ngjashëm me sistemet e ftohjes që përdoren sot në termocentralet.

Në të ardhmen, qëllimi është që termocentralet me shkrirje të përdorin nxehtësinë e prodhuar nga reaksionet e bashkimit për të vënë në punë turbinat me avull dhe për të gjeneruar energji elektrike. Ata do ta transformojnë procesin që fuqizon yjet në një mënyrë që ne të prodhojmë energji elektrike të pastër këtu në Tokë.

Shkenca e përditshme në teknologjinë tokamak

Tokamak është një makinë komplekse që përdor një kombinim teknologjish për të kufizuar dhe ngrohur plazmën dhe për të krijuar kushte për zhvillimin e reaksioneve të shkrirjes. Shumë nga teknologjitë e përdorura në tokamak JET mund të lidhen me shkencën e përditshme, të tilla si plazma e parë si rrufe në stuhi, parimet prapa motorëve elektrikë dhe mikrovalët në furrat e kuzhinës. Sfida është zhvillimi dhe optimizimi i të gjitha këtyre teknologjive dhe bashkimi i tyre për të krijuar një sistem të qëndrueshëm, një detyrë që kërkon një bashkëpunim të gjerë midis inxhinierëve dhe shkencëtarëve nga një gamë e gjerë fushash. Megjithëse qëllimi i reaksioneve të qëndrueshme të bashkimeve dhe një burim praktik energjie është ende një punë në progres, kërkimet e EUROfusion në tokamakët si JET po na afrojnë më shumë drejt realizimit të energjisë së shkrirjes.

Resources

Gjeni burime mësimore të bashkimeve bërthamore në faqen e internetit të EUROfusion.
Faqja e internetit FuseNet përmban materiale edukative duke përfshirë kurse, libra, eksperimente, multimedia, rishikime dhe teza rreth shkrirjes.
Eksploroni ITER tokamak në faqen e internetit Fusion for Energy. Klikoni mbi komponentët për të mësuar më shumë rreth secilit prej tyre.
Përdorni globe plazma për të demonstruar – në mënyrë argëtuese – shumë fizikë interesante: Yáñez González (2016) Plasma: Gjendja e katërt. Shkenca në shkollën 37: 50–55.
Përdorni mikrovalët për eksperimente spektakolare në klasë: Stanley H (2009) Eksperimentet me mikrovalë në shkollë. Shkenca në shkollën 12: 30–33.
Lexoni rreth eksperimentit JET që tregoi fuqi të qëndrueshme të lartë të shkrirjes për herë të parë: Warrick C (2022) JET vendos rekord të ri të energjisë së shkrirjes. Shkenca në shkollën 57.
Mësoni më shumë rreth Diellit dhe burimit të tij të fuqisë: Tiele Westra M (2006) Fusion in the Universe: the power of the Sun. Shkenca në Shkollën 3: 60–62.
Zbuloni se si përdoren dronët për të riparuar pajisjet e shkrirjes: Kidambi M (2017) Drone të bashkimit: teknikë robotësh për pajisjet bërthamore. Shkenca në shkollën 40: 8–11.
Zbuloni më shumë rreth ndryshimit midis shkrirjes dhe ndarjes: EUROfusion (2021) Fusion vs fission. Shkenca në shkollë 51.
Mësoni më shumë rreth heliumit dhe pse duhet ta ruajmë atë: Lord M (2021) Elementet në fokus: helium. Shkenca në shkollën 53.

Institutions

Review

Disa pyetje të të kuptuarit që mund të përdoren pas klasës:

Tregoni se çfarë nënkuptohet me reaksion bashkimi
Të shpjegojë kuptimin e fjalës torus
Nga mund të merret deuteriumi?
Tregoni çfarë nënkuptohet me izotop
Tregoni sfidat e krijimit të energjisë nga reaksionet e bashkimit
Tregoni përfitimet e krijimit të energjisë nga reaksionet e bashkimit.

License

CC-BY

Text released under the Creative Commons CC-BY license. Images: please see individual descriptions.

Download

Download this article as a PDF