Fusio nuklearra: printzipioak, baldintzak eta kontrola

Sarrera

Fusioa eguzkian eta izarretan naturalki gertatzen den fenomenoa da. Zenbait nukleo arinek energia kantitate handia askatu dezakete, baldin eta nukleo astunago bat sortzeko elkarrekin batzen badira. Prozesu horri fusioa deritzo.

Definizioa

Fusio nuklearra erreakzio nuklearra da, zeinetan bi nukleo arin batu eta nukleo astunago bat eratzen duten. Prozesu horretan energia kantitate handi-handia askatzen da.

Fusioaren ekuazio nuklearra

Fusioaren ekuazio nuklearrak, beraz, itxura hau izango luke:

E = Δm c²

Aktibatze-energia

Hasierako bi nukleo horiek ez dira elkarrekin batzen naturalki. Hori gerta dadin beharrezkoa da energia ematea bi nukleoei, aktibatze-energia deritzona, hau da, bi nukleoek elkar bateratzeko behar duten energia. Nukleo horiek elkarrengana gerturatzeko eta fusioa eragin dezaten baldintza egokiak eman behar dira, hala nola:

• Materia plasma-egoeran egon behar du; hau da, nukleoek elektroi-pantailarik gabe egon behar dute elkarrekin batu ahal izateko.
• Plasma hori oso beroa izan behar du, nukleoek abiadura handiak izan ditzaten (10⁶ K) eta talka eginez elkartzeko gai izan daitezen.
• Plasmak dentsitate egokia izan behar du, nukleoak elkarrengandik nahikoa gertu egon daitezen eta elkar topa dezaten bere ibilbidean.
• Baldintza horiek nahikoa denbora-tartean mantendu behar dira, fusio-kopuru egokia gertatu eta hasitako erreakzio-kateek iraun dezaten.

Masa-galera

Erreakzio batean energia sortzen bada, horrek adierazten du hasierako egoerak energia-maila altuagoa zuela bukaerakoak baino, eta energia-diferentzia hori kanporatzen dela. Ezarritako egoeran dauden protoi eta neutroiaren masak kontuan hartuta eta bukaerako egoeran daudenenak, kopuruz berdinak izan arren bi egoeretako masak ez datoz bat. Masa-galera izango da, beraz, erreakzioaren hasierako egoerako partikula subatomikoen masen eta bukaerako partikulen masen arteko diferentzia.

Einsteinek adierazi zuen ekuazioan, E = Δm c², oinarrituta masa-galera hori energia bilakatzen dela. Deuterio eta tritio nukleoak elkartzean, adibidez, 17,6 MeV-eko energia askatzen da, 3,5 MeV nukleo bakoitzeko; fisioan halako lau izaten dira.

Prozesuaren kontrola

Oraingoz gizakiak modu ez-kontrolatuan soilik lortu du fusio-erreakzioa eraginkorra izatea, bonba termonuklearretan. Modu kontrolatuan egindako esperimentazioetan ez da oraindik lortu erreakzioak nahikoa iraupena izatea energia-etekin netoa lortzeko, nahiz eta gero eta esperientzia gehiago egon eta lorpenak hobetzen ari diren.

Kontrolatuan

Gorago aipatutako aktibatze-baldintzak bete badira ere, ez da hori modu iraunkorrean lortzen. Aipatu den bezala, kate-erreakzioak denbora bat iraun behar du berez jarraipena izan dezan. Gaur egun tenperatura oso altuetan plasmaren konfinamendua lortzeko ahaleginetan ari dira; besteak beste, konfinamendu magnetikoarekin ari dira lanean. Hitz batean, oraindik energia gehiago gastatzen da baldintza egokiak sortzeko, eta ondoren erreakzioak kanporatzen duena baino gehiago erabiltzen da.

Ez-kontrolatuan

Hidrogeno-bonban edo bonba termonuklearrean gauzatu da. Bonba honetan lehenik fisio-erreakzioa gertatzen da eta horren bidez tenperatura eta presio baldintza egokiak lortzen dira nukleoak fusionatzen hasi daitezen; bigarren leherketa hori izango da benetako fusio-bonba. Azken batean, ohikoena hiru pausotako leherketa izatea da: fisioa / fusioa / fisioa. Fusioan neutroiak askatzen dira eta fisioa indartzen dute.