- Energia vabaneb ka kergemate tuumade ühinemisel.
- Miks on keeruline rakendada energia tootmiseks tuumasünteesi?
Sünteesireaktsioonid
Lõhustumine pole ainus mõeldav viis tuumaenergia vabastamiseks. Tuletame meelde, et prootonid ja neutronid on kõige tugevamini üksteisega seotud keskmise suurusega tuumades. Neist raua tuumades on eriseoseenergia suurim. Seepärast saab energia vabaneda mitte ainult suurte tuumade lagunemisel keskmisteks, vaid ka kergete tuumade ühinemisel – samuti keskmisteks. Kõige soodsam oleks kasutada selleks muidugi kõige kergemat tuuma – vesinikku, sest sellel puudub eelnev seoseenergia hoopis. Vesinikust raua tegemine ehk sünteesimine osutub aga maistes tingimustes ebareaalseks.
Nagu teame, on kergete tuumade hulgas üks, milles on osakestel suhteliselt suur seoseenergia, see on heelium . Kui raua tuumas on iga osake seotud energiaga 8,5 MeV, siis 4He sees on see 7,07 MeV, heeliumi isotoobil 3He aga ainult 2,6 MeV. Seepärast sobib neljast osakesest koosnev heeliumi tuum, mida tunneme ka α-osakesena, sünteesireaktsiooni lõppsaaduseks.
Kahjuks pole harilikus vesinikus heeliumi tuuma moodustamiseks hädavajalikku neutronit. Seepärast ei saa seda isotoopi, mida kõik ookeanid on pilgeni täis, tuumkütuseks kasutada. Teisest küljest, kui see nii ei oleks, siis poleks universumi kujunemise kosmoloogilised protsessid meile sellisel hulgal vesinikku ka jätnud ja ju poleks siis meidki...
Loodusliku vesiniku hulgas on 0,015% nn rasket vesinikku 2H ehk deuteeriumi, mille tuum koosneb ühest prootonist ja ühest neutronist. Kahe deuteeriumi tuuma ühinemisel saamegi parajasti heeliumi 4He tuuma. Selles reaktsioonis eraldub soojusena nii palju energiat, et kasutades mereveest eraldatud deuteeriumi tuumkütusena, saaksime ühest liitrist veest sada korda rohkem energiat kui ühe liitri petrooleumi põletamisest. Poleks ju paha tankida auto kütusepaaki vett ja sõita siis matkale kas või läbi maailma kõrbete...
Sünteesireaktsioonis muundub raske vesinik heeliumiks.
Vaja on ka triitiumi
Kahe deuteeriumi tuuma ehk deutroni ühinemisel 4He-ks ei saa tekkivat energiat ära kanda kiirguv tuumaosake, selleks saaks olla vaid γ-kvant. See aga tähendab, et reaktsioon kulgeks elektromagnetilises vastastikmõjus, mis on palju aeglasem kui tuumareaktsioonid. Seepärast tuleb reaktoris põhietapis läbi viia hoopis deuteeriumi ja triitiumi (3H) ühinemine. Triitiumi saab toota sama reaktori neutronkiirguse abil liitiumist.
Praktiline rakendamine
Kahjuks pole inimkond veel jõudnud sünteesireaktsioonide rakendamiseni energeetikas. Raskus on selles, et tuumade liitmiseks on vaja tuumi üksteisele lähendada, kuni nad jõuavad lühikese mõjuraadiusega tuumajõudude haardeulatusse. See on aga raske ülesanne, kuna tuumad, olles ühenimeliselt laetud, tõukuvad tugevasti. Meil tuleb ainet nii tugevasti kuumutada, et gaasi osakeste põrkumise energia suudaks selle tõukumisbarjääri ületada ja teostuks sünteesireaktsioon kõrge temperatuuri toimel ehk termotuumareaktsioon. Selleks on vaja umbes 100 miljoni kraadist temperatuuri. Aastakümnete pikkuse intensiivse uurimistöö tulemusena on nüüd selline temperatuur saavutatud, kuid ainult lühikesteks ajahetkedeks. Teadlased on küll täheldanud reaktsiooni toimumist, kuid seni vajab seadeldis käigushoidmiseks märksa rohkem energiat, kui ta suudab toota. Vastavad uuringud ja katsetused jätkuvad ja pole kahtlust, et esinevad probleemid leiavad ükskord ka lahenduse.
Sünteesireaktsiooniks on vaja kõrget temperatuuri.
Termotuumaenergia juurutamisel on inimkonna tuleviku seisukohalt väga suur tähtsus, ja seda kahel põhjusel. Esiteks on kõik teised kasutatavad energiaallikad ammenduvad. Päikeseenergia ja temast vahetult pärinev tuuleenergia on küll praktiliselt ammendamatud, kuid need pole suure energeetika vajadusteks küllaldasel määral kontsentreeritavad. Ainult termotuumareaktor suudab anda inimkonnale praktiliselt ammendamatu energiaallika, sest deuteeriumi varud maailmameres on ülisuured.
Teiseks on termotuumaenergia saastevaba. See tähendab, et võimalik õnnetus jõujaamas ei saa keskkonda saastada, samuti pole muret radioaktiivsete jääkide eemaldamise ja matmise probleemiga.
Sünteesireaktsioon on tuleviku energeetika alus.
- Service provided by Star Cloud LLC