Magfúzió: Magreakció, amelynek során két kisebb atommag egyesül egy nagyobbat eredményezve

Ez a szócikk a magfúzióról szól. Hasonló címmel lásd még: Fúzió (egyértelműsítő lap).

Ez a folyamat lehet exoterm vagy endoterm, a kiinduló magok atomtömegeitől függően. A kémiai elemek közül a vas és a nikkel a legstabilabb, azaz ezek rendelkeznek a legnagyobb fajlagos kötési energiával. Ha a fúzióban részt vevő elemek könnyebbek a vasnál, akkor a folyamat energiafelszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni.

Ez a folyamat játszódik le a csillagokban is és a hidrogénbomba robbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója - endoterm voltukból kifolyólag - különleges feltételeket követel, mint például a szupernóva-robbanás fizikai körülményei. A hidrogén, a hélium egy része (és a lítium kis része) kivételével a Földön található összes elemek csillagokban és szupernóva-robbanás során jöttek létre.

A tudósok sokáig azt feltételezték, hogy a Nap közönséges égésből nyeri az energiáját, és az ebből eredő fényt és hőt sugározza szét. A 19. században néhány tudós (köztük Lord Kelvin) vitatta ezt. Kelvin számításai szerint gravitációs összehúzódásból is eredhetne a kisugárzott energia, azonban ez a folyamat néhány millió év alatt véget is érne.

Einstein 1905-ös híres képlete, az E = mc² (energia = tömeg szorozva a fénysebesség négyzetével) szerint azonban már az anyag kicsiny mennyisége is óriási energiává alakítható át.

1939-ben Hans Bethe német fizikus részletes matematikai levezetéssel leírta, hogyan lehetne a folyamatot a Földön is végrehajtani, és fúziós reaktort létrehozni. Ehhez Bethe számításai szerint a hidrogénatomok hőmérsékletét 100 millió °C fölé kell emelni, és olyan kis térrészbe összenyomni, hogy a hidrogénatomok összeütközzenek, és hélium jöjjön létre. A kivitelezés korlátja az, hogy nem létezik olyan anyag, ami ezt a magas hőmérsékletet kibírná.

1948-ban dr. Lyman Spitzer létrehozta a Princetoni Egyetemen a Plazmafizikai Laboratóriumot.

Hamar rájött, hogy a fúziós reakciót mágneses térrel tudja a kísérleti térben tartani. Egy toroid alakú csövet elektromos tekercsekkel vett körül, melyek mágneses teret hoztak létre abból a célból, hogy a hidrogéngáz ne érintkezzen a cső falával. Közben lézerrel adtak át energiát a hidrogénnek, amelynek hőmérséklete így több millió fokra emelkedhetett. Az elrendezéssel az volt a probléma, hogy a csövet körülvevő mágneses tekercsek a cső belső falánál sűrűbben voltak elhelyezve, mint a cső külső oldalán. Ez ahhoz vezetett, hogy a belső oldalon erősebb mágneses tér alakult ki, emiatt a hidrogénatomok a cső külső oldala felé vándoroltak, majd közel fénysebességgel távoztak a berendezésből.

Erre a problémára is Spitzer fedezett fel egy megoldást. A csövet középen mintegy „megtekerve” egy 8-asra emlékeztető alakzatot hozott létre. A benne keringő hidrogén így az idő egy részében a cső belső fala mentén, az idő további részében a külső fal mentén halad, így nem alakulnak ki eltérések a mágneses térben, és a hidrogént is egyenletesebb tér veszi körül.

1951-re Spitzer befejezte az első hidrogénplazma-fúziós reaktor munkálatait, amit stellaratornak nevezett el (Sztellarátor, stella latinul csillag). Első alkalommal csupán a másodperc törtrészéig működtette a berendezést, mert nem volt biztos abban, hogy nem fog-e hidrogénbombaként felrobbanni.

Egy fél másodpercre a hidrogéngáz szupernóvaként ragyogott fel, és hőmérséklete elérte a 40 millió °C-ot. A 60 cm átmérőjű berendezés összesen 2 másodpercig működött, majd a folyamat leállt, a plazma kihűlt.

A kísérlet legfontosabb eredménye az, hogy megmutatta, a fúziós reakciót a Földön is elő lehet állítani.

Az atommagot az úgynevezett erős kölcsönhatás tartja össze, ami a nukleonok között hat, nagyon rövid távolságon (10⁻¹⁵ m) belül. Az atommagok nagyobb távolságokon viszont taszítják egymást, mert a töltésük pozitív. Így kialakul egy potenciálgát, ami a hidrogénatom izotópjai, a deutérium és a trícium esetében 0,1 MeV. Hogy a fúzió megtörténhessen, az atommagok között le kell győzni a potenciálgátat. Ez jön létre a csillagok fizikai állapotában a plazmában, ahol az atommagok elektronjaiktól megfosztva léteznek, és amely fizikai folyamatot termonukleáris fúziónak vagy egyszerűbben magfúziónak neveznek.

Ha átszámoljuk a 0,1 MeV-ot hőmérsékletre, akkor 10⁹ Kelvin fokot kapunk, ami nagyon magas hőmérséklet, figyelembe véve, hogy egyik fém sem bírja halmazállapot-változás nélkül a 3700 kelvinnél magasabb hőmérsékletet. E hőmérséklet eléréséhez segít két fizikai effektus:

1. a Maxwell-féle sebességeloszlás szerint a sokkal alacsonyabb hőmérsékletű plazmában is vannak nagy, megfelelő energiájú atomok (csak kevés)
2. az alagúteffektus megengedi, hogy a kisebb energiájú atommagok is átjussanak a potenciálgáton

Ez a két effektus sem csökkenti azonban a kívánt hőmérsékletet elérhetőbb értékekre. Ezért a plazmát össze kell nyomni, hogy a hőmérséklete megnőjön. Ez három módon valósulhat meg:

1. gravitációval – amikor a plazma a saját súlya alatt nyomódik össze. Ehhez azonban nagy mennyiségű plazmagáz kell, ami csak a csillagokban fordul elő,
2. mágneses erőkkel – a plazmában szabad pozitív és negatív ionok találhatók, és hatnak rájuk a mágneses erők. Ezt használják fel a tokamak és a sztellarátor berendezésekben,
3. inerciális hatással – ha hirtelen sok energiát közlünk a plazmával, például lézer segítségével, ekkor a plazmának nem lesz ideje kitágulni, így a hőmérséklete fog emelkedni a kívánt értékre.

Ahhoz, hogy egy fúziós reakció energiatermelés szempontjából kedvező legyen, a következő feltételeknek kell megfelelnie:

• legyen exoterm,
• kicsi legyen a protonok száma (akkor kevésbé taszítják egymást az atommagok) – tehát a legkönnyebb elemek közül kell választani,
• két kiindulási anyag legyen,
• két reakcióterméke legyen (az energia- és impulzusmegmaradás miatt)

Ezek alapján a lehetséges reakciókat a következő táblázat foglalja össze:

A p (proton) a közönséges hidrogént, a D a deutériumot, a T pedig a tríciumot jelöli.

Mint alternatív energiaforrásnak, a fúziós reaktorok üzembe helyezése kiemelt fontosságú lenne, mivel számos előnye van:

• az egész világon mindenhol igen hosszú ideig rendelkezésre áll az alacsony előállítási költségű alapanyag, a hidrogén, ezért gyakorlatilag végtelen energiaforrásnak tekinthető,
• nem járul hozzá savas eső létrejöttéhez,
• nem növeli az üvegházhatású gázok mennyiségét,
• nincs „megfutási” veszély, azaz atomrobbanás, ami egyes (nem energetikai célú) atomreaktorok esetén fennállhat,
• a melléktermékek nem használhatók fel fegyvergyártáshoz,
• a termékeivel minimális környezetszennyezési problémát okoz.

Magfúziós kutatások a világ szinte minden pontján folynak. Jelenleg^[mikor?] több mint 30 kísérleti berendezés működik a világon, és ennél is több kutatóintézetben folynak elméleti kutatások, illetve technológiai fejlesztések a témában. Két fő ága van a magfúziós kutatásoknak: a mágneses összetartású és az inerciális fúziós kutatások. A mágneses összetartású fúziós kutatások jelenleg előrébb tartanak, és jelenlegi tudásunk szerint ez lehet az a megközelítés, amelyből az első fúziós erőmű megépülhet. Habár ezek a kutatások még kísérleti szinten folynak, már épül az első erőmű méretű fúziós kísérleti berendezés, az ITER, amelynek célja, hogy bebizonyítsa, lehetséges a fúzió megvalósítása a Földön energiatermelési célokból, illetve, hogy tesztelje a későbbi erőművekben használt technológiai megoldásokat. Európában a magfúziós kutatásokat az EUROfusion konzorcium koordinálja, amelynek magyarországi képviselője a Wigner fusion.

• Fúziós reaktor
• ITER
• EUROfusion
• Wigner fusion
• hidegfúzió

• Fowler, T: The Fusion Quest. New York: Johns Hopkins University Press, 1997
• Heiman, Robin: Fusion: The Search for Endless Energy. London: Cambridge University Press, 1990
• Peat, F: Cold Fusion. New York: Contemporary Books, 1999
• Richardson, Hazel: How to Split the Atom. New York: Franklin Watts, 2001