Još
Dodatno

Ukucajte željeni termin u pretragu i pritisnite ENTER

Zavodljiva ideja o maloj količini materije koja se pretvara u ogromne količine energije: Decenije ovladavanja FUZIJOM

Iako pokušavaju decenijama, naučnicima do sada nije pošlo za rukom da uktore FUZIJU. Ako bi u tome uspeli - šta bi to značilo za čovečanstvo?

 Nuklearna fuzija Izvor: Lawrence Livermore National Laboratory/Cover Images/INSTARimages.com / INSTAR Images / Profimedia

Ovako: uzmete 600 miliona tona vodonika i termički ga obradite na oko 10 miliona stepeni ili više. Posle kuvanja ostane vam 596 miliona tona helijuma, a ostatak, 4 miliona, ispari. To što ispari je suva energija. Tako je bar u Suncu. Sunce svake sekunde isporuči u prostor energiju od koje samo delić, nekoliko milijarditih delova, dospe do Zemlje i od te energije mi živimo. Mi, čitav živi svet planete. To je ekonomičan proces.

Da je Sunce, na primer, od uglja ceo ogrev bi izgoreo za dvadeset-trideset miliona godina, čak i pre nego što bi Zemlja nastala. I umesto naše lepe planete, oko Sunca koje bi bilo pretvoreno u tinjajući pepeo, kružila bi stenovita gromada skočanjena od hladnoće. I svakako ničeg živog na njoj ne bi bilo, piše Aleksandar Zorkić u tekstu Kako do energije (Astronomski magazin).

Ali Sunce nije od uglja i ima mnogo, mnogo ekonomičniji način grejanja, takav da već pet milijardi godina postojano sija i zrači svoju toplotu, a još toliko će da radi isto to, pre nego što se s njim dogode zbilja dramatične stvari, kada ono preko faze crvenog džina uđe u skoro beskonačnu fazu belog patuljka, što je sve jako zanimljivo, ali nije sada tema.

Priroda je kreirala mehanizam u kome se mala količina materije efikasno pretvara u ogromnu količinu energije.

Ali zašto u ovom procesu pretvaranja vodonika u helijum dolazi do stvaranja energije? Odgovor se nalazi u najčuvenijoj jednačini fizike: energija je masa puta brzina svetlosti na kvadrat (što se pište E=mc2 kao što znate), a što znači da su energija i masa ekvivalentne i da se mogu transformisati jedna u drugu po navedenoj formuli s tim što treba obratiti pažnju na ono c2 jer to govori da i mala količina mase može da se pretvori u ogromnu količinu energije! C je brzina svetlosti, dakle 300.000 km/s pa onda to još na kvadrat!

Ali kako dolazi do ove alhemije - pretvaranja vodonika u helijum? Rešenju tog problema pažnju je posvetilo više naučnika, a jedan od ranih bio je Fric Hutermans, dansko-austrijsko-nemački nuklearni fizičar koji je živeo od 1903. do 1966. godine. On je pošao od već postojeće pretpostavke da se u Suncu, koje se inače sastoji pre svega od vodonika, zatim znatno manje od helijuma, a onda i od svega ostalog u zanemarljivim, mada važnim, količinama, energija stvara putem fuzije vodonika u helijum. To je bila dobra početna pretpostavka ali niko nije znao kako do fuzije dolazi. Ono što se znalo bilo je da se tokom fuzije jednog kilograma vodonika u helijum dobije energija jednaka energiji sagorevanju 100.000 tona uglja! To se dalo izračunati, ali sam proces pretvaranja – bio je zadatak koji je stajao pred Hutermansom.

 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore, California
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore, California
Izvor: Damien Jemison / AFP / Profimedia

Problem je bio što do fuzije ne može da dođe spontano i da su za taj proces neophodni određeni uslovi: visoka, veoma visoka temperatura i visok, veoma visok pritisak.

Evo pojednostavljene verzije procesa:

Jezgro vodonika se sastoji od jednog protona, a jezgro helijuma od dva protona. Da bismo dobili helijum potrebno je, dakle, da spojimo dva jezgra vodonika, tj. dva protona. E, ali problem je kako to učiniti kada su protoni pozitivno naelektrisani, a ista naelektrisanja se odbijaju!

Pa, to je moguće ako se dva protona nađu vrlo blizu jedan drugom jer tada na njih počne da deluje jaka nuklearna sila koja je mnogo jača od odbojne elektromagnetne sile. Jaka nuklearna sila je zapravo najjača sila koja postoji, samo što je ona kratkog dometa i deluje jedino unutar atoma. A koliko blizu treba da se nađu protoni da bi ih zahvatila jaka nuklearna sila – Hutermans je to izračunao i našao da takvo rastojanje iznosi jedan bilioniti deo milimetra! Dakle kada se dva protona toliko približe jedan drugom povežu se, fuzionišu se u jedno jezgro, a to je jezgro helijuma – uz gubitak mase koja se transformiše u energiju.

Uslovi potrebni da do ovog procesa dođe postoje u Suncu. Sunce je ogromna kugla 1.300.000 kilometara u prečniku i u njemu vladaju visoki pritisci koji izazivaju visoke temperature. U takvim uslovima atomi su zdrobljeni, protoni podivljaju i jure, sudaraju se tolikom silinom da se – spajaju…

Ovo je toliko pojednostavljen prikaz događaja u fuziji da gotovo da nije ni tačan, međutim on dobro objašnjava logiku fuzije. Uostalom, Hutermans je bio na samom početku rešavanja misterije stvaranje energije fuzijom i pravo rešenje zagonetke stvaranja energije Sunca tek je predstojalo.

Sve u svemu možemo samo da se divimo prirodi. Priroda je kreirala mehanizam u kome se mala količina materije efikasno pretvara u ogromnu količinu energije.

Zavodljiva je ideja da istim postupkom stvaramo energiju za potrebe čovečanstva. Zbog toga, decenijama naučnici pokušavaju da ovladaju fuzijom kojom bi proizvodili više nego dovoljno čiste energije, bez zagađenja i… shvatate već: treba nam fuzija, piše Aleksandar Zorkić za Astronomski magazin. Samo, to nikom do sada nije pošlo za rukom.

Ali početkom ove godine pojavile su se važne vesti u kojima se kaže sledće:

"U Nacionalnoj laboratoriji Lorens Livermor u Kaliforniji naučnici su sa 192 lasera obasjali sa svih strana zlatnu kutijicu u kojoj se nalazio vodonik. Zlato se istopilo u plazmu na visokoj temperaturi koja emituje rendgenske zrake. Pritisak tih zraka sabio je vodonik kome je temperatura narasla na milione stepeni te je konačno došlo do delimične fuzije vodonika u helijum uz oslobađanje energije."

 Nuklearna fuzija Izvor: Lawrence Livermore National Laboratory/Cover Images/INSTARimages.com / INSTAR Images / Profimedia

O čemu se zapravo radi objašnjava prof. Milan Mijić:

"Ovo je sjajan inženjerski i tehnološki napredak!Princip kontrolisane fuzije je dobro poznat, ali ostvariti ga, to je nešto drugo. Slika celog postrojenja je inspirativna i pomalo zastrašujuća. Samo specijalizovani inženjeri ili eksperimentalni fizičari bi mogli pravilno da objasne ovaj eksperiment."

Šta je tu značajno? Pa to što je to ista nuklearna reakcija koja se dešava u Suncu ili termonuklearnoj bombi, samo u malim razmerama i kontrolisana. Sada je po prvi put energija oslobođena fuzijom oko 1,5 puta veća od energije koju su laseri predali zlatnoj kutijici!

Svi prethodni dizajni kontrolisane fuzije davali su manje nego što je uloženo. Ako sam dobro sračunao, oslobođena energija je dovoljna da napaja sijalicu od 100W oko 8 sati i 45 minuta.

Međutim, mora se naglasiti da je energija koja je potrošena za napajanje i operaciju lasera preko 100 puta veća od energije koju su laseri predali kutijici, tako je neto dobitak manji od 1 odsto. A to znači da je praktična primena ove tehnologije još uvek jako daleko.

Veoma je interesantno uporediti proces fuzije ovde, u zvezdama, i u termonuklearnoj bombi. U bilo kojoj situaciji kad fuzija krene plazma se širi, hladi, i tada se fuzija prekida. Zato se u eksperimentima kontrolisane fuzije i ne proizvede mnogo energije.

U zvezdama širenje sprečava gravitacija. Težina gornjih slojeva zvezde vrši pritisak na centar zvezde čime se sprečava širenje, a time obezbeđuje duži period stvaranja energije. Unutar zvezde atomi se kuvaju kao da se u loncu pod pritiskom. Zavisno od svoje mase zvezde tako mogu da opstanu i mnogo milijardi godina.

U termonuklearnoj bombi to isto se postiže tako što se prvo izazove eksplozija obične atomske bombe, pa se rendgenski zraci te eksplozije koriste da njihovim pritiskom sabiju vodonik dovoljno dugo da fuzija krene i – proizvede se dovoljno energije. Sve u deliću sekunde, ali to je dovoljno, jer sve što u slučaju hidrogenske bombe treba je eksplozija na kraju.

To je čuvena "tajna ideja" do koje su u Los Alamosu [*] došli Ulam i Teler, a u Arzamasu Saharov i Zeljdoviči. Tako je bilo moguće napraviti hidrogensku ili termonuklearnu bombu. Detalji nisu nikada objavljeni, jer, što svojevremeno reče Hans Bete, "to nije očigledna ideja". Kažu da je Francuzima trebalo desetak godina da dođu do tog rešenja, dok su ga Kinezi nekako vrlo brzo otkrili.

U slučaju ove "inercijalno zarobljene fuzije" u Livermoru opet se koristi pritisak rendgenskih zraka koje je proizvela plazma istopljenog zlata da održe fuziju vodonika. Proizvedena energija je mala, tako da nije u pitanju prethodna eksplozija.

I tu sigurno ima detalja koje nikada nećemo saznati.

Ima još jedan detalj koji ne smemo da zaboravimo. Obično se kaže da je fuzija "čista" nuklearna energija. To je tačno u smislu da se ne proizvode direktno dugoživući izotopi koji odu u prašinu, u travu, vazduh koji udišemo, hranu koju uzimamo, itd.

Ali svaka fuzija proizvodi gama zrake, a oni su opasni. Opet je informativno poređenje sa zvezdama i H-bombama. Fuzija u jezgru Sunca proizvodi gama zrake, ali dok iz središta Sunca oni putuju ka površini, što traje desetinama hiljada godina, kroz bezbrojne sudare njihova energija se degradira do prijatnog žutog svetla koje leti sa površine.

Kod termonuklearne, fuzione bombe ti gama zraci prže naokolo, kao što je ilustrovano, na primer, u čuvenoj sceni iz filma "Terminator 2".

Kod kontrolisane fuzije tih gama zraka ima daleko manje, ali svejedno, ili direktno ubijaju ili se apsorbuju u zidovima oko reaktora čineći te zidove radioaktivnim.

Tako da ni kontrolisana fuzija nije sasvim "čista", mada na drugi način od fisionih bombi.

Kod eksperiment u Livermoru to nije izgleda bilo na zabrinjavajućem nivo ali sećam se da sam negde čitao da u međunarodnom projektu ITER na jugu Francuske, koji kontroliše fuziju magnetnim poljima umesto laserskim snopovima, i koji treba da ima daleko veću proizvodnju energije, o efektima gama zraka mora da vode računa i da je to deo dizajna.

Baš zbog svih tih ozbiljnih problema ovo što su uradili u Livermoru jeste veliki napredak. Tema je i dalje otvorena.

*Nacionalna laboratorija Los Alamosa je jedna od šesnaest istraživačkih i razvojnih laboratorija Ministarstva energetike Sjedinjenih Država u Novom Meksiku. Najpoznatiji po svojoj centralnoj ulozi u razvoju prve atomske bombe.

Autor: Aleksandar Zorkić/ Astronomski magazin

Možda će vas zanimati i:

Komentari 0

Vaš komentar je uspešno poslat i postaće vidljiv čim ga naši administratori odobre.

Slanje komentara nije uspelo.

Nevalidna CAPTCHA

Najnovije

Priroda

Nauka