Fuzija

Nuklearna fuzija je sjedinjavanje lakih jezgara u teže jezgro, pri čemu se oslobađa ogromna količina energije, bez radioaktivnog otpada.

Nuklearna fuzija – Izvor energije Sunca

Šta je nuklearna fuzija?

Nuklearna fuzija je proces u kojem se dva laka jezgra spajaju u jedno teže jezgro, uz oslobađanje ogromne količine energije. To je osnovni izvor energije Sunca i svih zvezda.

U jezgru Sunca vladaju ekstremni uslovi: temperatura oko 14 miliona Kelvina i ogroman pritisak. U takvim uslovima atomi vodonika gube elektrone i formiraju plazmu – „supu“ protona i elektrona.

Kako nastaje energija?

Protoni se sudaraju velikim brzinama. Normalno, odbojna Kulonova sila sprečava njihovo približavanje, ali pri ovako visokim temperaturama i pritisku, protoni savladavaju tu barijeru i dolaze na dohvat jake nuklearne sile, koja ih vezuje.

Kada se dva protona spoje, jedan se pretvara u neutron (emisijom pozitrona i neutrino čestice), pa nastaje jezgro deuterijuma ($^2\text{H}$). Ovaj proces oslobađa energiju zbog defekta mase.

Defekt mase i energija veze

Pre reakcije imamo dva slobodna protona sa ukupnom energijom:

$ E_{p0} = 2 m_{p0} c^2 $

Nakon vezivanja, masa sistema je manja:

$ E_{\text{vezano}} = m_{p1} c^2 + m_{n1} c^2 $

Razlika mase:

$ \Delta m = (2 m_{p0}) – (m_{p1} + m_{n1}) $

Oslobođena energija:

$ E_v = \Delta m \cdot c^2 $

Ovaj efekat se naziva defekt mase. Energija veze nije „skrivena“ u jezgru, već je to energija koju bismo morali uložiti da raskinemo vezu.

Dalji procesi u zvezdama

Osim deuterijuma, nastaju jezgra tricijuma ($^3\text{H}$) i helijuma ($^4\text{He}$). U velikim zvezdama nastaju svi elementi do gvožđa ($^{56}\text{Fe}$). Zašto samo do gvožđa? Zato što kod težih jezgara odbojna Kulonova sila postaje toliko velika da bi vezivanje protona imalo negativan energetski prinos.

Energetski prinos fuzije

Defekt mase pri formiranju helijuma iz deuterijuma iznosi oko 0,63%, što je 11 puta više od defekta mase kod fisije uranijuma-235 (0,056%). Zato fuzija oslobađa mnogo više energije od fisije.

Kako nastaju elementi teži od gvožđa?

Kada masivna zvezda potroši gorivo, gravitacija pobeđuje i zvezda kolabira – nastaje supernova. U eksploziji se stvaraju brzi neutroni koji se lako vezuju za jezgra, pa nastaju elementi teži od gvožđa.

Fuzija na Zemlji

Da bi se fuzija ostvarila na Zemlji, potrebno je obezbediti:

• Temperaturu od nekoliko miliona Kelvina
• Ogroman pritisak
• Izolaciju plazme

Postoje dva glavna pristupa:

1. Magnetna izolacija plazme – Tokamak reaktori (ITER projekat u Francuskoj).
2. Laserska inicijacija – zagrevanje peleta deuterijuma i tricijuma moćnim laserima.

Cilj je da se dobije više energije nego što se uloži u pokretanje procesa. Za sada, fuzija je ostvarena samo u obliku termonuklearne bombe, gde fisiona eksplozija obezbeđuje uslove za fuziju.

---