Kodolsintēze: kas tā ir, kā notiek un kāpēc tā ir svarīga

Uzzini, kas ir kodolsintēze, kā tā notiek Saules kodolā, kā rodas milzīga enerģija un kāpēc tā var būt nākotnes tīrais enerģijas avots.

Kodolsintēze ir process, kurā no diviem vieglākiem kodoliem veidojas viens smags kodols (atoma daļa). Šo procesu sauc par kodolreakciju, un tā parasti izdala lielu enerģijas daudzumu. Kodolsintēzē atbrīvotā enerģija rodas no tā sauktās masas defekta — daļa sākotnējās masu summas pazūd un pārvēršas enerģijā.

Kodols, kas rodas kodolsintēzes rezultātā, parasti ir smagāks par jebkuru no izejas kodoliem, taču tas nav tik smags kā sākotnējo atomu kopīgā masa. Šī zaudētā masa pārvēršas enerģijā, ko apraksta slavenais Einšteina vienādojums E=mc2. Šī saistība paskaidro, kā pat neliela masas daļa var atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu.

Kā notiek kodolsintēze zvaigznēs

Kodolsintēze ir zvaigžņu dzinējspēks. Visbiežāk minētais piemērs ir Saules iekšienē notiekošais process, kurā ūdeņraža kodoli saplūst, veidojot hēliju, un izdalās liels daudzums enerģijas. Tieši šī enerģija nodrošina zvaigznes siltumu un gaismu, kas redzama no Zemes.

Ne visi elementi var saplūst tāpat viegli. Smagāku elementu sintēze prasa augstāku temperatūru un spiedienu, un galu galā kodolu saplūšana kļūst neizdevīga. Dzelzs kodoli ir īpaši stabilas konfigurācijas piemērs — tieem nav enerģētiskas ieguves, saplūstot ar citiem kodoliem, tāpēc zvaigznes kodolu sintezē dažādus elementus, līdz ir radīta dzelzs masa. Kad zvaigzne ir sasniegusi šo posmu, zvaigznes iekšējās kodolsintēzes reakcijas vairs nespēj nodrošināt nepieciešamo spiedienu, enerģijas ražošana apstājas, un zvaigzne galu galā iet bojā (piemēram, supernovas vai baltā pundura veidā, atkarībā no masas).

Tipiskas zvaigžņu sintēzes stadijas (vienkāršināti):

• Hēlija izveide: ūdeņradis → hēlijs (galvenais Saules posms);
• Smagāku elementu veidošana: hēlijs saplūst, veidojot oglekli, skābekli u. c.;
• Vairākas fāzes: jo lielāka zvaigzne, jo augstākas temperatūras un spiedieni ļauj ražot smagākus elementus līdz dzelzim;
• Supernova: masīvām zvaigznēm smagāku elementu veidošanai var būt nepieciešams sprādziens (supernova), kurā rodas daudzi elementi smagāki par dzelzi.

Kodolsintēze uz Zemes — iespējas un grūtības

Uz Zemes ir ļoti grūti uzsākt un uzturēt kodolsintēzes reakcijas tādā veidā, lai tiktu iegūta vairāk enerģijas nekā patērēta to ierosināšanai. Galvenais izaicinājums ir Coulomba atgrūšanās: kodoliem ir pozitīvs lādiņš, un tie savstarpēji atgrūžas. Lai šo atgrūšanos pārvarētu, kodoliem jāsaņem ļoti liels kinētiskais trieciens — tas nozīmē ārkārtīgi augstu temperatūru un spiedienu (vai alternatīvi jāpanāk ļoti droša un ilga ierobežošana).

Līdz šim reālistiskas, kontrolētas pieejas ietver divas galvenās stratēģijas:

• Magnētiskā ierobežošana (piem., tokamaki, stellaratori) — plazma tiek turēta spēcīgā magnētiskajā laukā pietiekami ilgi, lai notiktu saplūšana;
• Inerciālā ierobežošana (piem., lāzera impulsi kā NIF eksperimentos) — degvielas kapsulu ļoti ātri sasilda un sapresē, radot īslaicīgu, bet ļoti augstu temperatūru un spiedienu.

Diemžēl pagaidām vienīgā viegli pieejamā metode, kas demonstrē plašu un ātru kodolsintēzi, ir kodolieroči — pirometriska izdalīšanās kontrolē nav iespējama. Ūdeņraža bumbā parasti izmanto atomu (skaldīšanas) bumbu kā sākuma detonatoru, lai sasniegtu nepieciešamās temperatūras un spiedienu, kas ierosina kodolsintēzi. Taču mūsdienu zinātniskajās programmās mērķis ir izveidot drošu, kontrolētu un atkārtojamu procesu, kas ražotu elektrību bez sprādziena.

Zinātnieki un inženieri jau gadu desmitiem strādā pie vairākām problēmām, kuras vēl jāatrisina, pirms kodolsintēzes enerģija kļūs par praktisku un ekonomisku enerģijas avotu:

• sasniegt pozitīvu enerģijas bilanci (vairāk izdalītās enerģijas nekā nepieciešams ierosināšanai);
• izturīgi materiāli, kas spēj izturēt spēcīgas neitronu plūsmas un radiācijas iedarbību;
• stabila un droša plazmas vadība (plazmas un magnētiskās nestabilitātes novēršana);
• ūdeņraža izotopu (deitērija un tritija) piegāde un droša tritija atjaunošana (breeding) reaktorā;
• ekonomiska un droša inženierija, kas ļauj ražot lētu elektrību salīdzinājumā ar citām tehnoloģijām.

Kāpēc kodolsintēze ir svarīga

Kodolsintēzei ir vairākas potenciālas priekšrocības salīdzinājumā ar fosilajiem kurināmajiem un pat ar parasto kodolsadalīšanu:

• Zema oglekļa emisija: degvielas ķēmiskais elements (deitērijs) ir plaši pieejams ūdenī, un pati reakcija neizdala oglekļa dioksīdu;
• Augsta enerģijas blīvuma potenciāls: kodolsintēze var atbrīvot ļoti daudz enerģijas no nelieliem degvielas daudzumiem;
• Mazāks ilgdzīvo radioaktīvo atkritumu apjoms: salīdzinot ar kodolsadalīšanu, sintēzes reaktori ražos mazāk ilglaicīgi radioaktīvu materiālu (tomēr materiālu aktivācija ar neitroniem prasa uzmanīgu apsaimniekošanu);
• Drošība pret ķēdes reakciju avārijām: sintēzes stāvoklis ir vieglāk pārtraucams — plazmu var ātri atdzist, un nav iespējama nekontrolēta ķēdes dalīšanās.

Tomēr ir svarīgi saprast, ka tehniskais ceļš uz komerciālu kodolsintēzes elektroenerģijas ražošanu ir sarežģīts un joprojām prasa būtiskus tehniskus, ekonomiskus un materiālus risinājumus. Pētniecība turpinās (piemēram, starptautiski projekti un lielas laboratorijas), un panākumi šajā jomā varētu būt nozīmīgs solis ceļā uz ilgtspējīgu, zemu emisiju enerģijas nākotni.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir kodolsintēze?

J: Kā šis process notiek?

J: Kur notiek šis process?

Vai visus elementus var savienot, izmantojot kodolsintēzi?

Vai uz Zemes ir viegli uzsākt kodolsintēzes reakcijas?

Vai kādam ir izdevies kontrolēt vai ierobežot šīs reakcijas, lai ražotu elektrību?

J: Kas līdz šim ir izdevies kodolsintēzes jomā?

Meklēt pēc burta