Marko Sever Fuzijske nuklearne elektrane

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET

FIZIČKI ODSJEK

Marko Sever

Diplomski rad

FUZIJSKE NUKLEARNE ELEKTRANE

ZAGREB, 2010.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET

FIZIČKI ODSJEK

SMJER: PROFESOR FIZIKE

MARKO SEVER

Diplomski rad

FUZIJSKE NUKLEARNE ELEKTRANE

Voditelj diplomskog rada: Prof. dr. sc. Vladimir Paar

Ocjena diplomskog rada:

Povjerenstvo:

1.

2.

3.

Datum polaganja:

Zagreb, 2010.

Zahvaljujem se roditeljima, bratu i njegovoj obitelji koji su mi uvijek bili podrška.

Zahvaljujem se supruzi što je uvijek bila uz mene.

Zahvaljujem se prijateljima na potpori tijekom svojega školovanja.

DIPLOMSKI RAD Fuzijske nuklearne elektrane

IV | S t r a n i c a

S A D R Ž A J

1. UVOD ................................................................................................................................... 6

2. Atomi i nuklearne reakcije – neiscrpni izvor energije ......................................................... 7

2.1. Atomi i jezgre ............................................................................................................... 7

2.2. Nuklearne reakcije i međudjelovanja ........................................................................ 10

2.3. Nuklearne sile i radioaktivnost .................................................................................. 12

2.4. Očuvanje mase i energije u nuklearnim reakcijama.................................................. 13

2.5. Nuklearna fuzija ......................................................................................................... 15

3. Fuzijske nuklearne elektrane ............................................................................................ 18

3.1. National Ignition Facility ............................................................................................ 21

3.1.1. Rad NIF-a ............................................................................................................ 21

3.1.2. Kako laseri rade .................................................................................................. 23

3.1.3. Fuzijska energija ................................................................................................. 25

3.2. I T E R ......................................................................................................................... 28

3.2.1. Tokamak ............................................................................................................. 28

3.2.2. Glavni parametri ................................................................................................. 29

3.2.3. Glavne osobine ................................................................................................... 30

3.2.4. Grijanje plazme ................................................................................................... 33

4. Zaključak ............................................................................................................................ 34


V | S t r a n i c a

5. Priprema školskoga sata ................................................................................................... 35

i. Popis literature .................................................................................................................. 42

ii. Popis slika i ilustracija ....................................................................................................... 43

iii. Popis tabela ....................................................................................................................... 45

iv. Popis grafova ..................................................................................................................... 46


6 | S t r a n i c a

1. UVOD

Fuzijski nuklearni reaktori su jako zanimljiva tema. Prvenstveno zbog razloga što oni u

realnosti mogu riješiti sav ljudski problem oko energije. Kako bih mogao kvalitetno obraditi

ovu temu, prvenstveno se trebam orijentirati na neke osnovne fizikalne pojmove i njihova

objašnjenja.

U prvom dijelu svoga diplomskoga rada osvrnut du se na atome i nuklearne reakcije.

Obradit du osnove pojmova atoma i jezgre. Nakon toga du ukratko pisati o nuklearnim

reakcijama i međudjelovanju, silama i radioaktivnosti. Na kraju ovoga kratkog presjeka fizike

dotaknut du se osnova nuklearne fuzije. Potrebna je razrada osnovnih fizikalnih pojmova i

teorija kako bih mogao krenuti u opisivanje i objašnjavanje glavne teme ovoga diplomskoga

rada.

U tredem poglavlju de biti riječi o dva eksperimenta koje su u procesu izgradnje, da bi

se mogli testirati svi zaključci o poznavanju fuzijskih procesa, te iskorištenju energije iz njih

samih. Radi se o National Ignition Facility, s kojim se krede u korištenje ovih dana,

izgrađenim u Sjedinjenim Američkim Državama. Druga ustanova je ITER koji se planira graditi

u Francuskoj pod okriljem i zajedništvom čitave znanstvene zajednice. ITER de biti prva

fuzijska nuklearna elektrana izgrađena na Zemlji. Prva, ali još uvijek samo kao testno

okruženje, kako bi se mogli bolje razumjeti procesi iskorištenja energije u fuzijskim

reakcijama.

Završetkom diplomskoga rada du se pozabaviti razradom nastavne jedinice vezane uz

temu diplomskoga rada, za koju smatram da bi mogla učenike zanimati tijekom njihovog

školovanja.


7 | S t r a n i c a

2. Atomi i nuklearne reakcije – neiscrpni izvor energije

2.1. Atomi i jezgre

Poimanje atoma u školama zna biti jako težak konceptualan problem. Zbog toga

prvenstveno du objasniti pojam atoma i njegovu strukturu.

Promjer atoma iznosi oko . U središtu atoma je atomska jezgra, koja je

mnogo manja od samoga atoma. Polumjer same jezgre iznosi . Međutim njezin

promjer skriva najvedu koncentraciju mase atoma, više od 99%. Kako odmah možemo

primijetiti da najvedi dio prostora zauzima elektronski omotač atoma, možemo ustvrditi kako

je taj isti prostor uistinu vedinski šupalj. Obzirom na veličinu elektrona i prema zakonima

kvantne fizike relativno malo tih istih sidušnih elektrona zauzimaju taj „prazan“ prostor oko

jezgre atoma.

Slika 1 Struktura atoma

Obujam jezgre je oko puta manji od obujma atoma! To možemo pokazati

kratkim izračunom:

( )

( ) ( )

Premda je uopde teško zamisliti ljudskome mozgu ovakve veličine, smatram da možemo

ilustrirati odnos veličina u atomu. Ako zamislimo i povedamo atom do veličine grada

Zagreba, pokušajmo vidjeti koliki bi bio atom, a koliki elektron, u odnosima veličina.


8 | S t r a n i c a

Atomu bi se tada povedao promjer s na , a to znači puta. Isto

toliko povedajmo i promjer jezgre, . Atom bi bio velik poput grada

Zagreba, jezgra poput lopte za pilates, a elektron bi bio veličine čestice fine gline (red veličine

vedi od nano-čestice).

Kako bismo mogli dalje nastaviti proučavati atome i energiju pohranjenu u

interakcijama konstituenta moramo malo se još približiti osnovnim karakteristikama atoma,

objašnjavajudi strukturu. Atomi nekog kemijskog elementa s atomskim (rednim) brojem u

elektronskom omotaču imaju isto toliko elektrona. Elektroni, zapravo manji dio njih, oni iz

vanjskog dijela elektronskog omotača, vanjski elektroni, određuju kemijska svojstva atoma

tog elementa. Ukupni električni naboj električnog omotača je

gdje je e naboj elektrona i iznosi .

Atomske jezgre se sastoje od dvije vrste čestica – od protona s pozitivnim električkim

nabojem, , i neutrona, čestica bez električnog naboja. Broj protona u jezgri atoma je

a određivanjem ukupnog električnog naboja atoma atomskog broja :

( )

Ovime možemo zaključiti da je električni naboj atoma kao cjeline nula. Atom kao cjelina

nema naboja i zato tvari i jesu električki neutralne.

Graf 1 Stabilni nuklidi - odnos broja neutrona po broju protona


9 | S t r a n i c a

Obzirom na to da protoni i neutroni izgrađuju atomsku jezgru nazivamo ih

zajedničkim imenom, nukleoni. Ukupan broj nukleona u nekoj atomskoj jezgri nazivamo

nukleonskim ili masenim brojem i označavamo ga sa . Sam naziv „maseni broj“

upotrebljava se iz razloga što su nukleoni odgovorni za masu nekog atoma. Njihov broj

određuje atomsku masu nekog atoma.

Broj neutrona u jezgrama atoma istog elementa može biti različit. Takvi atomi istog

kemijskog elementa razlikovat de se međusobno po broju neutrona, dakle po nukleonskom

broju , a nazivamo ih izotopima. Prema tome, nukleonski broj nekog izotopa određujemo

kao zbroj broja protona i neutrona,

Jezgru nekog izotopa naznačit demo ovakvim oznakama:

- maseni ili nukleonski broj,

- znak kemijskog elementa,

- atomski ili redni broj.

Kao primjer du uzeti poznata tri izotopa vodika: vodik , deuterij i tricij

. Obilježit du ih redom

.

Možemo primijetiti da jezgre svih triju izotopa imaju po jedan proton. Jezgra vodika zapravo

je najjednostavnija atomska jezgra jer se sastoji od samo jednog protona. Jezgra deuterija

osim jednog protona sadrži i jedan neutron, a jezgra tricija uz proton ima još dva neutrona.

To možemo zaključiti iz njihova nukleonskog broja. Masa atoma deuterija je dva puta veda

od mase atoma vodika, a atomska masa tricija je tri puta veda od mase vodikova atoma.

Prirodni vodik je smjesa vodika i deuterija s udjelima 99,985% i 0,015%, a tricij se

dobiva nuklearnim reakcijama u laboratorijskim uvjetima. Tricij nije stabilan izotop. U

njegovoj se jezgri jedan neutron spontano pretvara u proton stvarajudi stabilniju nuklearnu

strukturu nove jezgre s dva protona i jednim neutronom. To je jezgra jednog izotopa helija,

, koju du označiti s . S dva protona u atomskoj jezgri, helij je drugi po redu

kemijski element u periodnom sustavu elemenata.

Izotopi istog elementa kemijski se ne razlikuju jer su im elektronski omotači praktično

jednaki. Neutroni kao čestice bez naboja ne utječu na gibanje elektrona u elektronskom

omotaču atoma.


10 | S t r a n i c a

U fizikalnom smislu, različiti izotopi istog kemijskog elementa razlikuju se po masi

atoma, kojoj bitno pridonose upravo neutroni, te po građi jezgre. Fizička svojstva atomskih

jezgara tih izotopa mogu se znatno razlikovati i poseban su predmet istraživanja u kvantnoj

fizici. Treba istaknuti da promjene u izotopnom sastavu jezgara nimalo ne utječu na

mehaničke procese u kojima, kao i u kemijskima, sudjeluju samo elektronski omotači atoma.

Važno je napomenuti da su te razlike važne za nuklearne procese atomskih jezgara.

2.2. Nuklearne reakcije i međudjelovanja

Nuklearni procesi ili nuklearne reakcije su procesi pri kojima se događaju promjene

atomskih jezgri. Takvi procesi se mogu izazvati tako da na jezgru metu naleti neka čestica,

projektil. Čestica projektil može biti proton, neutron, elektron ili neka druga jezgra. Rezultat

međudjelovanja jezgre mete i čestice projektila može promijeniti strukturu jezgre. Nukleoni

se mogu pregrupirati na drugačiji način nego u polaznoj jezgri, pa de nakon procesa dati

drugačiju jezgru. Stoga, procese kojima se izazove promjena strukture jezgre ili bilo kakva

druga promjena stanja jezgre nazivamo nuklearnim reakcijama.

Nuklearne reakcije odvijaju se u skladu s temeljnim zakonom očuvanja energije i

količine gibanja. Trebalo bi istaknuti da vrijede i neki drugi zakoni očuvanja. Prvenstveno se

to odnosi na primjer da se ne mijenja ni ukupan broj nukleona (zbroj protona i neutrona).

Ukupan električni naboj isto ostaje sačuvan. Vrijedi:

ukupan broj nukleona prije reakcije = ukupan broj nukleona poslije reakcije

i

ukupan naboj prije reakcije = ukupan naboj poslije reakcije.

Očuvanje broja nukleona i naboja u nuklearnim reakcijama pripadaju temeljnim

zakonitostima u prirodi. Sada bi bilo potrebno da razmotrim međudjelovanje u kojemu

projektil ima pozitivni električni naboj, kao proton. Tada između jezgre mete i projektila

postoji i nuklearno i električno međudjelovanje.

Električna sila između pozitivne jezgre i električki pozitivnog projektila je odbojna, a

vrijednost joj je obrnuto proporcionalna kvadratu njihove međusobne udaljenosti, gdje treba

primijetiti da je ta sila znatna na udaljenosti i daljnjim približavanjem jezgri postaje

sve veda. Djelovanje te sile između jezgre i električki nabijenih projektila naziva se

električnom barijerom.



Nuklearna sila, iako mnogo jača od električne, ima vrlo malen doseg. Ona je privlačna

i djeluje tek kad se jezgra i projektil približe na oko .

Odmah možemo primijetiti da odbojna električna sila ima vedi doseg i zato duže

vrijeme naleta jače djeluje između projektila i mete, sve dok se projektil ne približi jezgri na

oko . To je razlog što se samo projektili dovoljno velike energije uspiju približiti jezgri

meti na doseg nuklearne sile, na oko . Na toj udaljenosti počinje djelovati jaka

nuklearna sila. Rezultantna sila na toj udaljenosti je privlačna i tada može nastati nuklearna

reakcija. Za određeni projektil i svaku jezgru određene vrste, projektil mora imati najmanje

minimalnu kinetičku energiju da bi izazvao nuklearnu reakciju s tom jezgrom. Tu svakako

treba naglasiti da ako projektil nema električni naboj, kao neutron, između jezgre mete i

neutrona nema električnog odbijanja. Radi toga je neutron mnogo pogodniji projektil za

izazivanje nuklearnih procesa.

Sva međudjelovanja u prirodi mogu se svesti na četiri fundamentalna djelovanja.

Gravitacijsko, elektromagnetsko, jako i slabo međudjelovanje.

Gravitacijsko međudjelovanje je najslabije od njih. No, ono je jedino sa svojstvom da

između svake dvije ili više čestica uvijek djeluje privlačno. Kada su tijela velika poput

svemirskih, tada zbrajanjem privlačnih sila između svih čestica tih tijela nastaje vrlo snažna

ukupna privlačna sila. Zbog toga gravitacijska sila i određuje gibanje svemirskih tijela.

Elektromagnetsko međudjelovanje određuje građu elektronskih omotača u atomima

te građu elektronskih omotača i razmještaj atomskih jezgara u molekulama, biološkim

molekulama i čvrstim tijelima. Kemijski, mehanički i biološki procesi se odvijaju zbog utjecaja

elektromagnetskog međudjelovanja.

Jako nuklearno međudjelovanje postoji između nukleona u jezgri. Zbog tog se

međudjelovanja protoni i neutroni drže na okupu u sidušnoj atomskoj jezgri. To je najjače od

četiri fundamentalna međudjelovanja. Privlačna jaka sila između dva protona međusobno

udaljena stotinjak je puta jača od odbojne električne sile među njima na istoj

udaljenosti. Međutim, treba naglasiti da, za razliku od gravitacijskog i elektromagnetskog

djelovanja, nuklearno međudjelovanje ima izvanredno kratak doseg. Na udaljenosti nukleona

malo vedoj od jaka sila išdezava.

Slabo međudjelovanje je isto kratkog dosega, a mnogo je slabije od jakog

međudjelovanja. Zbog slabog međudjelovanja pri β-raspadu nastaju pretvorbe protona u

neutron i neutrona u proton.



2.3. Nuklearne sile i radioaktivnost

Jedna od glavnih zadataka nuklearne fizike je otkriti prirodu nuklearne sile. Ona mora

biti dovoljno jaka da nadvlada električnu odbojnu silu između protona u jezgri. Energija

između i je potrebna kako bi se oslobodio jedan nukleon iz jezgre. Ova vrijednost

se može usporediti s energije potrebne za ionizaciju vodika ili do potrebnih

za oslobođenje elektrona iz metala. Ovim mjerenjem, nuklearne sile su oko milijun puta jače

nego električna sila koja veže atome.

Činjenica da je energija separacije nukleona veličine nekoliko i za jezgre teške

kao olovo ( ), implicira da broj veze koja veže nukleon za nukleon ne raste kako

jezgra raste. Možemo redi da nuklearna sila je saturirana kada se nukleon nalazi u okolini

drugih nukleona. Nuklearna sila ima kratak doseg u odnosu na udaljenost između nukleona

u jezgri. Kod udaljenosti mislim na udaljenost nakon koje nuklearna sila drastično opada. Iz

ove činjenice možemo deducirati da udaljenost između nukleona je reda veličine

( ), ili . Zaključak da je nuklearna sila stvarno kratkog dosega podupire i

činjenica rezultata eksperimenta raspršenja koji nam omogudava kvantitativno mjerenje

udaljenosti.

Slika 2 Radioaktivni raspad

Na slici vidimo da produkt spontanog raspada teškog nestabilnog atoma urana može

biti alfa čestica, gama zračenje ili čestica, proton, elektron ili neutron.



Henri Becquerel otkrio je radioaktivnost 1896. godine, puno prije nego što je jezgra

bila otkrivena. Radioaktivnost – ime koje je osmislila Marie Curie – je fenomen nuklearnog

raspada. Jezgra se može raspasti kroz razne modove i kanale, npr. emitirajudi fotone ili

čestice. Različiti fizikalni zakoni mogu opisivati različite modove raspada, pa svaki mod može

imati različitu vjerojatnost događanja. Vrijeme života kolekcije radioaktivne jezgre je

konstanta s dimenzijom vremena koja određuje brzinu raspada takve jezgre. Ako je broj

nukleona prisutnih u , onda ( ) je broj nukleona koji ostaje nakon vremena , dan

jednadžbom ( ) ⁄ . Alternativni način zapisivanja ove jednadžbe je definirajudi

konstantu raspada s ⁄ , čime slijedi

( )

S izuzetkom fisijskih reakcija, tipični radioaktivni raspad uključuje jezgru (jezgru

roditelja) koja emitira česticu i nakon toga biva pretvorena u jezgru kderku. Tri različita

raspada se mogu dogoditi, nazvani , ili ovisedi o čestici koja je emitirana raspadom.

2.4. Očuvanje mase i energije u nuklearnim reakcijama

U nuklearnoj fizici česti su procesi u kojima se oslobađa znatna energija. Dobivena

energija može se iskazati relacijom:

Ta energija proporcionalna je masi tvari koja se u nju pretvorila, a koeficijent

proporcionalnosti je , tj. kvadrat brzine svjetlosti.

Zakon očuvanja energije ne vrijedi sam za sebe, kao što ne vrijedi sam za sebe ni

zakon o očuvanju mase tvari. Energija se može povedavati uz smanjenje mase tvari i obratno.

Umjesto pojedinačnih zakona očuvanja energije i očuvanja mase tvari, ovdje imamo

opdenitiji zakon o očuvanju mase i energije:

Ako je prije procesa ukupna masa bila i ukupna energija , nakon procesa ukupna masa je

i energija , onda vrijedi

Ukupna masa znači broj masa tijela koja međusobno djeluju, a ukupna energija zbroj svih

energija u promatranom sustavu. U kemijskim, biološkim i mehaničkim procesima promjena

ukupne mase tvari toliko je izvanredno malena da je zanemariva. Zato u tim procesima

praktički vrijede, svaki za sebe, i zakon očuvanja mase i zakon očuvanja energije.



Ako se slobodnih protona i slobodnih neutrona spoje u jezgru, masa tvari se

smanjuje za iznos:

( )

Gdje iščezava ta masa? Pretvara se u energiju

koja se oslobađa i prelazi u okolinu.

Graf 2 Energija vezanja po nukleonu

Da bi nastao suprotan proces, razbijanje jezgre na sastavne dijelove, protone i

neutrone, jezgri treba predati isto toliko energije. Jezgra se tada razbija na slobodnih

protona i slobodnih neutrona. Pri spajanju slobodnih nukleona u jezgru oslobađa se

energija , a pri razbijanju jezgre na slobodne nukleone toliku energiju treba i

utrošiti. Tu energiju nazivamo energijom vezanja jezgre. Smanjenje mase naziva se defekt

mase.

Dva su procesa oslobađanja energije nuklearnim reakcijama. Fisija se naziva proces

kod kojega se razbija jezgra na sastavne dijelove, točnije jedna teška atomska jezgra se cijepa

na dvije manje jezgre, a pritom se oslobađa energija. To se događa kada na jezgru naleti

neutron, jezgra ga upije i ona se gotovo trenutno cijepa na dvije jezgre. Nuklearnom fuzijom

nazivamo drugi proces u kojemu se dvije jezgre manje mase, jezgre roditelji spajaju u vedu

jezgru, jezgru kderku. Fuzija je osnovni izvor energije na Suncu i zvijezdama, gdje se upravo

događa fuzija vodika u helij.



2.5. Nuklearna fuzija

U fuzijskoj reakciji dvije lagane atomske jezgre se stapaju zajedno u jednu tešku

jezgru, kako je prikazano na slici 4. Fuzijska reakcija proizvodi veliku količinu energije koja je

u stvarnosti izvor energije Sunca i zvijezda opdenito.

Slika 3 Dvije jezgre, ovdje deuterij i tricij, stapaju se u jednu te tvore helij, neutron i veliku količinu energije

Fuzija ima glavna obilježja koja je čine atraktivnom za ekstrapolaciju energije u

bududnosti. Fuzijski proces je siguran sam po sebi. Otpad koji nede biti na teret bududim

generacijama, nema emisije stakleničkih plinova, i daje mogudnost za veliku skalu

proizvodnje energije.

Nuklearna fuzija je stvaranje atomskih jezgara. Atomska jezgra je sastavljena od

protona (p) s jednim pozitivnim nabojem i neutronom (n) skoro identične mase i bez naboja.

Jaka nuklearna sila drži te nukleone zajedno protivno odbojnim efektom protonovog naboja.

Broj negativno nabijenih elektrona koji „kruže“ oko jezgre identičan je broju protona kako bi

se balansirao protonski naboj, a gotovo čitava masa atoma se nalazi u jezgri.

Suma individualnih masa nukleona koji se nalaze u jezgri je veda od mase jezgre

atoma. To je zbog jake nuklearne sile koja drži nukleone zajedno. Jezgra se nalazi u

potencijalu manje energije nego svaki nukleon zasebno. Razlika, energija vezanja (

), varira od jednog elementa do drugoga. Zbog svih načina kako se nukleoni mogu

pakirati zajedno, kada se dvije lagane jezgre spoje u jednu težu jezgru, energija vezanja

spojene jezgre može biti veda od energije vezanja pojedinih jezgara (nalazi se u još nižem

energetskom potencijalu). Ta razlika u energijama je produkt u fuzijskim procesima. Ta

alternativa je prikazana na grafu 3.



Slična situacija se događa kada se teška jezgra raspada na lakše. Opet, energija

vezanja pojedinih jezgara može biti veda od teške jezgre iz koje je nastala, a višak energije je

produkt u fisijskim reakcijama.

Graf 3 Alternativa kod energije vezanja atoma

Možemo vidjeti na grafu ovisnost atomske mase o nuklearnoj energiji vezanja, kakva

je ovisnost kod fuzije, a kakva kod fisije. Primjedujemo da se prilikom oslobađanja energije

tijekom fuzije povedava atomska masa, a smanjuje se energija vezanja.

U Suncu i zvijezdama događaju se lančane reakcije fuzije koje pretvaraju vodik u helij.

Postoje dvije vrste lančanih reakcija, obje imaju isti efektivni rezultat, a ona koja dominira

ovisi o veličini same zvijezde. Za naše Sunce dominira protonski ciklus.

Protonski ciklus (najčešde reakcije) Ugljik - dušik - kisik ciklus

Dvostruki: p + p → D + e+ + ν

Dvostruki: p + D → 3He + γ

3He + 3He → 4He + 2p

Ukupan rezultat: 4p → 4He + 2e+ + 2ν + 27 MeV

p + 12C → 13N + γ

13N → 13C + e+ + ν

p + 13C → 14C + γ

p + 14C → 15O + γ

15O → 15N + e+ + ν

p + 15N → 12C + 4He

Ukupan rezultat: 4p → 4He + 2e+ + 2ν + 27 MeV

Tabela 1 Dvije vrste lančanih reakcija u zvijezdama: protonski ciklus i ugljik-dušik-kisik ciklus

http://www.iter.org/pics/binding.jpg



Sveukupna učestalost reakcije je ekstremno mala ali svejedno ona pogoni svemir do

veličina zvijezda i velikih masa. Čestice se drže zajedno pomodu gravitacije dovoljno dugo da

se pokrenu reakcije. Na primjer, u jezgri Sunca temperatura seže do 10 – 15 milijuna °C.

Zajedno s ekstremnim tlakom (četvrtina bilijuna atmosfera) i gustode (osam puta od one u

zlatu) omogudavaju materiji da bude transformirana u velike količine energije.

Da bi se ostvarila fuzija na manjoj skali, na Zemlji, moraju se koristiti reakcije s vedom

vjerojatnošdu.

Procjena vrijednosti za reakciju je reaktivnost. Produkt vjerojatnosti reakcije i energije

proizvedene po reakciji. Kao što je prikazano na grafu 4, fuzijska reakcija između dva izotopa

vodika, deuterij (D) i tricij (T) ima maksimum reaktivnosti na oko 100 milijuna °C. Slijededi

najreaktivniji je D + D koji ima oko 40 puta manju reaktivnost, potom D + 3He, izotop helija,

koji ima oko 85 puta manju reaktivnost. D + D reaktivnost uključuje još i sporedne reakcije

između D i D + D produkata reakcije, to jest T i 3He.

Graf 4 Reaktivnost za pojedinu reakciju jezgara u fuziji

Za usporedbu, reaktivnost reakcija u zvijezdama je manja od one kod D + T.

Ta velika razlika dozvoljava fuzijskoj energiji da bude omogudena na ljudskoj skali, ali

premještanje s velikih masa koje omogudavaju gravitacijsko ograničavanje da fuzija tako

dobro funkcionira u zvijezdama znači da moramo pronadi i iskoristiti druga ograničenja za

ostvarivanje kontroliranih fuzijskih reakcija, a to ima drugačije uvjete za njihov uspjeh.

http://www.iter.org/pics/reactivity.jpg



3. Fuzijske nuklearne elektrane

Današnji problem fuzijskih nuklearnih elektrana je nemogudnost održavanja

kontroliranog procesa koji bi stvarao više energije nego što je potrebno ulaganje energije u

sam proces. Zašto je fuzija najbolji izvor energije? Razlog tome je velika specifična

iskoristivost energije, neograničenost goriva, intrinzična sigurnost, bez imalo emisije ugljika.

Slika 4 Godišnja potreba goriva za 1000 MW elektrane

Kontrolirani procesi koji daju gorivo Suncu za direktno stvaranje energije na Zemlji je

stara ideja. Deuterij, kojeg ima u morskoj vodi, može davati izvor energije fuzijskim

reakcijama, a problem radioaktivnog otpada kod nuklearne fuzije je mnogo manje ozbiljniji

nego kod nuklearne fisije. Nažalost, tehnologija kontroliranih procesa fuzijskih reakcija se

pokazala teško za svladati. Srž problema nije omoguditi da se nukleoni sudaraju s dovoljno

energije kako bi svladali Coulombovu odbojnu energijsku barijeru, te da se spoje u jednu

jezgru, ved je problem osigurati da se taj proces događa u velikim brojevima. Veliki broj

nukleona bi u teoriji trebalo dovesti do energija dovoljno velikih da bi se spajali, jednostavno

zagrijavajudi ih, ali temperature potrebne da bi se ti procesi događali trebale bi biti na razini

nuklearnih energija jezgre, a ne atoma. Možemo procijeniti tu energiju na ⁄ ,

Coulumbova energija između dviju električno nabijenih nukleona udaljenih radiusom , gdje

je reda veličine . Uvrštavajudi dobivamo da je vrijednost energije .

Iznos energije je reda veličine temperature vrijednosti od koja je daleko veda nego što

bi bilo kakav mehanički kontejner mogao izdržati. Uostalom, ta temperatura je daleko veda



nego ona na kojoj atomi gube elektrone, te se materija pretvara u potpuno ionizirani plin

elektrona i nukleona, u plazmu. Iako u Maxwellovoj distribuciji postoji dovoljno čestica s

velikim brzinama da bi temperatura od bila dovoljna da proizvodi fuzijske reakcije, ipak

je još prevelika za konvencionalne mehaničke kontejnere.

Vremenska skala potrebna za fuziju plazme, kako bi dvije vrste čestica bile na

dovoljno visokoj temperaturi, iako nije potrebno da je , iznosi . Kako bi

čestice završile mnogo orbita između odbijanja iznosi , a kako bi se fuzija plazme

mogla smatrati kvazi neutralnima potrebno je vrijeme manje od .

Slika 5 Vremenska skala fizike fuzije plazme

Dva su jako različita pristupa rješavanju problema stvaranja i čuvanja vrude plazme.

Prvi pristup je inertno čuvanje, shema u kojoj su male kuglice materijala koje sadrže

nukleone pogodne za fuziju komprimirane jakom laserskom zrakom ili ionskim zrakama do

potrebnih temperatura i gustode za nuklearne reakcije. U ovom pristupu nema nikakvih

poteškoda kod čuvanja plazme u dugom periodu. Zrake se pale u pulsevima, a kuglice se

mijenjaju nakon svakog pulsa. Najvedi problemi u cijelom ovom pristupu povezani su s

razumijevanjem kako de se kuglice nukleona ponašati kada ih pulsne energetske zrake

pogode. Problemi su isto tako u konstrukciji i korištenju kuglica, te kontroliranju samih

laserskih zraka.

U drugom pristupu riječ je o magnetskom čuvanju plazme. Dodatna energija se

predaje kroz termalnu energiju apsorpcije elektromagnetskih valova, dok se plazma



kontrolira s magnetskim silama. Na ovaj način plazma se može čuvati u velikom vremenskom

periodu. Teškode koje se javljaju u ovom procesu su magnetska polja koja ne utječu na

komponentu gibanja nabijene čestice uzduž usmjerenja linije magnetskog polja, pa plazma

ima tendenciju „squirt out“ u jednom od smjerova. Kako bi se izbjegao ovaj problem, moraju

se koristiti komplicirane konfiguracije magnetskih polja. Tokamak je uređaj koji omogudava

da plazma bude kontrolirana u točno određenom prostoru. Veliki tokamak uređaji su vrlo

blizu osiguravanju samoodržavajudih reakcija.

Iako oba pristupa daju obedavajude rezultate, mi smo još jako daleko od stvaranja

fuzijskih nuklearnih reaktora koji su komercijalno isplativi.

Slika 6 Fuziji je potrebna plazma na jako visokoj temperaturi



3.1. National Ignition Facility

National Ignition Facility (NIF) je projekt Sjedinjenih Američkih Država koji pokušava

riješiti pitanje dobivanja energije iz kontroliranih termonuklearnih procesa. NIF ima 192

laserske zrake koje putuju kroz 1.500 metara dužine, od mjesta stvaranja u glavnom

oscilatoru do centra komore gdje se nalazi meta.

Slika 7 Izgled NIF-a

Kako zrake putuju kroz pojačivače NIF-a, tako se njihova energija eksponencijalno povedava.

Od početka pa do kraja, totalna energija snopova zraka raste od jednog dijela bilijuna jednog

Joula do četiri milijuna Joula, što je faktor od preko – i sve to se događa u otprilike

sekunda.

3.1.1. Rad NIF-a

Glavni oscilator generira vrlo male, niske energije laserskog pulsa. Puls može biti u

rasponu od 100-tog dijela trilijuna do 25-tog dijela bilijuna od sekunde, i ima specifičan

vremenski oblik u skladu sa zahtjevima NIF eksperimentatora. Nisko energetski puls se dijeli i

biva nošen na optičkim vlaknima do 48 modula predpojačala za početno pojačavanje i

pripremanje zraka. U predpojačalima energija se povedava za faktor od deset milijardi do

nekoliko Joula. 48 nosača od 48 predpojačala su zatim podijeljene u četiri zrake svaka za

injekciju u 192 glavnih laserskih cjevovoda.



Slika 8 Sistem laserskih zraka

Svaki snop prolazi kroz dva sustava velikih staklenih pojačala, najprije kroz pojačalo

snage, a zatim kroz glavno pojačalo. U glavnom pojačalu, posebna optička spojnica nazvana

plazmena elektroda Pockels delija (PEPC) hvata svijetlo, prisiljavajudi ga da putuje naprijed

nazad četiri puta kroz jedanaest kompleta staklenih ploča laserskih pojačala prije nego izađe

iz šupljine glavne komore pojačala. Bez ove optičke spojnice, NIF-ova glavna laserska zgrada

bi trebala biti 750 metara duža da bi se postiglo isto pojačanje.

Iz glavnog pojačala zraka prolazi kroz konačni prijelaz pojačala snage prije ulaska

velikom brzinom u komoru mete. Kako je puls energije pojačan, posebno deformirano

ogledalo i drugi uređaji osiguravaju da zrake su visoko kvalitetne, uniformne i određene

glatkode.

NIF-ova velika staklena pojačala su jedinstvena. Ostali veliki laserski sistemi koriste

seriju pojačala koji povedavaju veličinu snopa kako bi povedali njezinu energiju. NIF-ova

pojačala su sva iste veličine i koriste više od 3.000 jednometarskih ploča od posebnog

fosfatnog stakla dopiranih s atomima neodimija.

Djelid sekunde prije početnog slabog laserskog pulsa počinje život na glavnom

oscilatoru, više od 7.500 dvometarskim flash lampama, napajajudi ih s velikim

kondenzatorima koji imaju spremljenu veliku količinu električne energije, energiziraju atome

neodimija u staklu pojačala kupajudi ih u intenzivnoj bijeloj svjetlosti. Kada laserske zrake

napuste predpojačala, pojačala su ved aktivna i spremna preuzeti ih. Nakon prolaska kroz sva

pojačala, svaka NIF laserska zraka je povedana za oko 20.000 Joula energije.



Slika 9 Komora za metu

Složeni sustav posebnih ogledala u dvije deseterokatne čelične konstrukcije poznate

kao „switchyards“ izmijene paralelni linearni snop od 192 laserske zrake u sfernu

konfiguraciju kako bi te iste zrake mogle biti fokusirane u centar komore za metu. Između

svih najtvrđih konstrukcija ikada sagrađenih, kule od „switchyard“ su izgrađene da izdrže

vibracije te su čvrsto usidrene u unutrašnjost zgrade 1,2 metara debele armirane betonske

zidove. Svaka zraka prolazi kroz zadnji optički sklop koji pretvara valnu duljinu laserske zrake

od infracrvenog do ultraljubičastog, te je fokusiran kroz zadnju ledu objektiva na metu koja

se nalazi u centru same komore. Mete su smještene s preciznošdu koja se mjeri u djelidu

debljine lista papira. Sposobnost da se ostvari takva preciznost je demonstrirana s prve četiri

aktivirane zrake i s naknadnim eksperimentalnim testiranjem tijekom aktiviranja dodatnih

laserskih zraka.

3.1.2. Kako laseri rade

Laser može biti mali kao mikroskopski računalni čip ili ogroman kao NIF, koji je širok

kao tri nogometna igrališta. Jasno je da veličina nema veze s onime što čini sam laser. „Laser“

je akronim za Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (pojačanje svjetlosti

poticanjem emisije zračenja). Ako elektroni u posebnim staklima, kristalima ili plinovima

budu energizirani, oni de emitirati svjetlost fotona kao odgovor na slabi laserski puls. Fotoni

de svi biti iste valne duljine, te de biti i koherentni, što znači da su brjegovi i doline valova

svjetlosti identični. Nasuprot tome, obično vidljivo svjetlo je različite valne duljine i nije

koherentno.



Slika 10 Jednostavan primjer rada lasera

U NIF-u, kao i u drugim velikim laserima, intenzivni bljeskovi bijele svjetlosti od

divovskih flash lampa „pumpaju“ elektrone atoma u velikim pločama laserskog stakla na više

ili više „uzbuđeno“ energijsko stanje. Ali to stanje je tranzicijsko stanje koje traje samo oko

sekundi. Mali puls laserskog svjetla „sinkroniziran“ na energiju uzbuđenih elektrona

usmjeren je kroz staklene ploče. Ovaj laserski puls stimulira elektrone da padnu na njihovo

stanje manje energije, ili „osnovno“ stanje, te emitira laserski foton točno iste valne duljine.

Sustav ogledala na oba kraja stakla laserskog pojačala uzrokuje da fotoni putuju

naprijed nazad, stimulirajudi više elektrona da padnu na stanje manje energije i emitiraju

laserske fotone. Ovaj proces rezultira „pojačanjem“ ili produkcijom velikog broja fotona iste

valne duljine i usmjerenja. U NIF-u ovakvo pojačanje proizvodi fotona. Kako fotoni

nalete jedni na druge unutar laserskog pojačala, oni vibriraju koherentno s istom

frekvencijom i usmjerenjem. U suštini, fotoni se „kloniraju“ stvarajudi savršenu kopiju prvog

fotona. Koherencija izaziva svjetlost da svijetli u zraci koja je ekstremno sjajna i ravna,

poznata svima koji su ikada koristili laserski pokazivač.

Početni slabi puls je do sada pojačan i sadrži enormno povedanu energiju. U malim

laserima djelomično reflektirajude ogledalo na jednom kraju medija napravljeno je da nešto

od pojačane svjetlosti, sada laserske svjetlosti, prolazi. U NIF-u specijalni optički preklopnici

zadržavaju laserski puls manje energije u glavnom pojačalu za četiri prolaza naprijed nazad

kroz staklene ploče lasera. Tek tada su laserske zrake puštene izvan glavnog pojačala da

nastave put prema komori mete. Ovaj sistem stakla, ogledala i ostale specijalne optike, je

poznat kao šupljina laserskog pojačala. Precizni dizajn komponenti pojačala dozvoljavaju

znanstvenicima da kontroliraju koje de energije laserska zraka biti proizvedena. U NIF-u serija

pojačala povedava energiju inicijalnog slabog pulsa svjetlosti s više od puta kako bi se

stvorile 192 visoko energizirane, usko fokusirane laserske zrake.



1. Struja visoke voltaže djeluje na kvarcnu flash

cijev da emitira intenzivni snop svjetlosti, uzbuđujudi

neke od atoma kristala rubina na više energijske

nivoe.

2. Na specifičnom energijskom nivou neki atomi

emitiraju česticu svjetlosti nazvanu foton. U početku

fotoni su emitirani u svim smjerovima. Fotoni od

jednog atoma stimuliraju emisiju fotona drugog

atoma i intenzitet svjetlosti je munjevito pojačan.

3. Ogledala kod svakog kraja reflektiraju fotone

naprijed nazad, nastavljajudi ovaj proces

stimulirajudi emisiju i amplifikaciju.

4. Fotoni izlaze kroz polupropusno srebrno

ogledalo na jednom kraju. To je laserska svjetlost.

Slika 11 Primjer jednostavnog lasera

3.1.3. Fuzijska energija

Kako je najvažniji rezultat cijelog NIF-a kontrolirana fuzijska energija, pokušat du

ukratko objasniti što je cilj stvaranja ovakvog ogromnog laserskog sustava visokih energija.

192 laserska snopa u NIF-u de replicirati ekstremne uvjete potrebne za stvaranje ne

samo fuzijskog paljenja i gorenja, nego ved i energijsku korist – dvije glavne prekretnice u



znanstvenom istraživanju fuzijske energije kao izvora elektriciteta. Ako bude uspješan, NIF de

biti prva institucija koja de demonstrirati oba fenomena u laboratorijskim uvjetima.

Otkrivajudi minimalni unos energije potreban za start fuzijskih procesa je kritičan za

određivanje održivosti inercijalne fuzijske energije. Stoga NIF može proizvesti bazu za

evaluaciju bududih odluka oko fuzijske energije u razvoju novih uređaja i programa.

Slika 12 Minijaturna "zvijezda" kreirana u komori mete Nova lasera (NIF-ov prethodnik)

NIF je dizajniran da producira fuzijsko paljenje i stvaranje energije koristedi tehniku

znanu kao inercijska ograničena fuzija (na slici 15 možemo vidjeti rezultat ove tehnike kod

stvaranja „zvijezde“ u komori mete Nova lasera, kada je snage udarilo u

promjera kapsulu mete koja je sadržavala deuterij-tricij gorivo). NIF-ovi laseri

visokog intenziteta, fokusirani na mali zlatni cilindar zvan „hohlraum“, generirati de tuš X

zraka koje de komprimirati malu ljusku ispunjenu s deuterijem i tricijem na puta gustode

olova. U ovim rezultirajudim uvjetima – temperatura veda više od stupnjeva

Celzijusa i tlakom puta vedim od Zemljine atmosfere – centar goriva de se zapaliti i

dogodit de se termonuklearno gorenje koje de se brzo raširiti kroz komprimirano gorivo,

oslobađajudi deset do sto puta više energije nego što je uneseno u eksperiment putem

lasera. U fuzijskoj nuklearnoj elektrani toplina od fuzijske reakcije se koristi da pokrede

generatore parne turbine kako bi proizveli struju.



Slika 13 Komora za metu

NIF nede modi stvarati struju zbog razloga koji se opisuju u stvaranju inercijsko

fuzijske nuklearne elektrane (potrebno je da pulsovi energije budu učestali, a pritom da se

stvorena energija koristi za grijanje rashladnog sredstva, kasnije više objašnjenom kod ITER-

a). NIF-ovi de eksperimenti omoguditi korak bliže fuzijskoj energiji da bude valjan nelimitiran

izvor energije zbog demonstracije fuzijskog paljenja, gorenja i energijske koristi u

laboratorijskim uvjetima.



3.2. I T E R

ITER je u početku bio akronim za International Thermonuclear Experimental Reactor,

ali je napušten zbog riječi termonuklearan, pogotovo u vezi s eksperimentalan. Isto tako riječ

iter ima svoje značenje u latinskome što označava putovanje, smjer te to dvojako značenje

pokazuje ulogu ITER-a kod iskorištenja nuklearne fuzije kao izvora energije.

ITER je međunarodni istraživački i razvojni projekt koji za cilj ima znanstveno i

tehničko rješenje za iskoristivost fuzijske energije. Partneri u projektu su Europska unija (na

čelu s EURATOM), Japan, Narodna Republika Kina, Indija, Republika Korea, Rusija i Sjedinjene

Američke Države. ITER de biti sagrađen u Europi, u mjestu Cadarache na jugu Francuske.

ITER uređaj je baziran na tokamak konceptu u kojem je vrudi plin zatvoren u komori

torusnog oblika koristedi magnetsko polje. Plin se zagrijava na temperaturu preko 100

milijuna °C i proizvodit de 500 MW snage koristedi fuziju.

Slika 14 Izgled ITER-a

3.2.1. Tokamak

Najuspješniji i najviše obedavajudi kontrolirani fuzijski uređaj je znan kao tokamak.

Sama riječ tokamak je akronim proizašao iz ruskih riječi TOroid-KAmera-MAgnit-Katushka,

koje ima značenje „toroidalna komora i magnetska zavojnica“. Konfiguracija, koja izgledom

podsjeda na američku krafnu (donut), je primarno karakterizirana s velikom strujom do



nekoliko milijuna ampera, koja teče kroz plazmu. Plazma se grije na temperature iznad

stotinu milijuna stupnjeva Celzijusa (mnogo toplije od površine Sunca) koje se postižu s

visoko energijskim čestičnim zrakama ili s radio frekvencijskim valovima.

Slika 15 Unutrašnjost tokamaka na Princeton-u TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor)

3.2.2. Glavni parametri

Nominalni parametri ITER-a koriste energiju induktivne struje koji su prikazani u

tabeli 2. Ovi parametri slijede nakon sistematskog modeliranja zajedno s ograničenjima

tehnologije koja bi se mogla koristiti i od predikcija koje se mogu napraviti iz fizike. Ti

parametri opisuju samo jedan operativan način kako bi ITER mogao funkcionirati, ali on

može raditi u velikom spektru operativnih načina.

Jedinice

Radijus glavne plazme 6.2 m

Radijus manje plazme 2.0 m

Volumen plazme 840 m3

Struja plazme 15.0 MA

Toroidalno polje na osi 5.3 T

Snaga fuzije 500 MW

Vrh ravnog izgaranja >400 s

Pojačanje snage >10

Tabela 2 Nominalni parametri ITER-a



Fizikalne pretpostavke na kojima se dizajnira ITER i njegova učinkovitost su definirane

i razvijene od strane Joint Central Team (sada International Team), primarno kroz svoje

fizikalne sekcije zajedno s fuzijskim fizičarima iz svih zemalja sastavnica. Fizika ITER-a je

bazirana na podatcima trenutnih eksperimenata tokamaka, fizikalnih modela za različite

procese u plazmi i numeričkih kodova ekstrapoliranih za učinkovitost plazme za skalu ITER-a i

njegovih parametara. Da bi sve informacije i znanje bilo najnovije, čitava znanstvena

zajednica koja se bavi fuzijom je koordinirana sa svojim znanjima kroz International Tokamak

Physics Activity (ITPA).

Bazirano na svom tom poslu i znanju su nastale pretpostavke o parametrima plazme:

i. plazma de se nalaziti u „ELMy H-modu“, tj. s rubno lokaliziranim nisko

amplitudinalnim mhd modovima i u „visoko ograničenom“ režimu vidljivim u

dosadašnjim eksperimentima;

ii. plazma de raditi u dobro kontroliranoj konfiguraciji divertora (komponenta

uređaja koja se suočava s plazmom).

Bazni fizikalni elementi ITER-ove učinkovitosti plazme su bili uspješno testirani u

današnjim eksperimentima. Ipak, integrirana simulacija potpune ITER-ove plazme nije

moguda u današnjim tokamakovima. Izbor parametara plazme, da bi zadovoljavala gornje

ciljeve i uvjete, ovisi o operativnom prostoru uvjetovanom neodređenošdu današnjeg

ekstrapoliranog znanja.

Sumirano, te predikcije pokazuju da uređaj čija je izlazna fuzijska snaga je

minimalne veličine razumnih margina koje omoguduju proizvodnju energije. Takav uređaj

zadovoljava tehničke ciljeve i ima potrebnu fleksibilnost da sadrži slučajnosti.

3.2.3. Glavne osobine

ITER-ovi supervodljivi magneti drže i kontroliraju reaktivnu plazmu i induciraju

električnu struju kroz plazmu.

Energija koja se generira u reakcijama je apsorbirana komponentama koje su

obložene unutar površine komore, to jest omotač, divertor i ulazni utikači. Te komponente

sadrže čistu plazmu, griju i dijagnoziraju plazmu i nose testne dijelove za snagu reaktora

važnu za razvoj omotača. Nakon operacije s DT-om, unutarnje komponente komore postaju

radioaktivne i trebaju se daljinski održavati.



Slika 16 ITER – osobine uređaja

Biooklop okružuje magnete i komoru. Ta konkretna struktura drži dozu radijacije na

nivou da bi se stopirala aktivacija okružujudih uređaja te dozvoljava zaposlenicima

dostupnost uređajima ubrzo nakon što tokamak završi s radom. Biooklop je integralni dio

zgrade tokamaka koja među ostalim zgradama sadrži sisteme kao što su opskrba energijom i

hlađenje.

Kriostat je izgrađen unutar biooklopa i drži se u vakuumu. Ta činjenica uz termalne

oklope minimizira prodor topline do sistema magneta od toplih komponenti i okoline.

Sve komponente i sistemi moraju biti sastavljeni i testirani prije početka rada ITER-a.

Slika 17 Tipične dimenzije ITER-ove plazme

http://www.iter.org/pics/Plasma.jpg

http://www.iter.org/pics/Plasma.jpg



Plazma ITER-a veličine je opsežno izolirana od okružujudeg materijala

kontrolirajudi njezin položaj unutar specijalno oblikovanih magnetskih polja. Na taj način se

osigurava da čestice plazme koje udare u okružujudi materijal su niske energije i da udaraju

toplinski tolerantne komponente.

Slika 18 ITER-ovi super vodljivi magnetski sistem

ITER-ovi supervodljivi magnetski sistem se sastoji od 18 torodijalnih zavojnica (TF), 6

polodijalnih zavojnica (PF), centralni solonoid (CS), zavojnice za ispravljanje i pripadajudu

strukturu. Donje PF zavojnice su dizajnirane s opširnim zavojima i dodatkom za sigurnost

struje da bi se izbjegla potreba za mijenjanjem u slučaju lokalnog oštedenja u jednoj od

klizedih upijača zavojnica. Supervodljive zavojnice za ispravljanje u obliku sedla su stavljene

oko uređaja izvan TF-a, dok se magneti koriste da izravnaju pogreške u polju uzrokovane

proizvodnim netočnostima ili zbog odstupanja tijekom spajanja magnetskih zavojnica, isto

tako i za kontrolu oblika otpornog zida nestabilnosti plazme.

Sve zavojnice se hlade sa superkritičnim tokom helija očuvanog s kriogen

cirkulacijskim pumpama.

http://www.iter.org/pics/magnet.jpg



Tokamak komora i supervodljivi magneti su smješteni unutar termičkog oklopa

kriostata da bi se očuvale kriogenske temperature potrebne za supervodljivost.

3.2.4. Grijanje plazme

Kombinacija radio frekvencija kod ionskog ciklotrona (IC), elektronskog ciklotrona

(EC) i nižih hibrida (LH) modova rezonantnih frekvencija nabijenih čestica plazme te

negativni ioni koriste se za grijanje plazme i pogon strujanja. Svaki od navedenih ima svoje

točne vrijednosti. Najbolja mješavina sistema za grijanje trebati de se pronadi za vrijeme

ITER-ovog funkcioniranja.

Inicijalna postava de koristiti dvije neutralne zrake i elektronske i ionske ciklotronske

sisteme, ali radiofrekvencijski sistemi su dizajnirani u izmjenjivim modularnim veličinama

( ) da bi se isprobale razne kombinacije. Te tri neutralne zrake mogu biti

smještene na uređaju. Snaga grijanja u prekoračenju od je dostižna u ovim

uvjetima.

NB EC IC LH

Snaga na plazmu (MW/jedinici) 16.3 20 20 20

Unos snage (MW/jedinici) 48 60 50 48

Struja/jedinici (A) 40 - - -

Energija iona (MeV) 1.0 - - -

Frekvencija (Hz) - 170 G 40 - 55 M 5 G

“Efikasnost” (%) 34 33 40 42

“Efikasnost cijevi” (%) -

40 (50 s

oporavkom

energije)

60 60

Tabela 3 Performanse parametara grijanja



4. Zaključak

Ljudskoj populaciji de u bududnosti biti potrebne sve vede količine energije. Najbolji

put k ostvarivanju ciljeva da civilizacija više ne bude ovisna o energentima jest stvaranje

fisijskih i fuzijskih elektrana, te solarnih elektrana. Ovi izvori energije su jedini izvori energije

koji su u mogudnosti zadovoljiti zemaljske potrebe za energijom, za nadolazeda stoljeda i

dalje, bez negativnog utjecaja na prirodu koje stvara fosilna goriva.

U fuzijskim reakcijama „leži“ velika količina energije, najmanje je opasna za prirodu i

ljudski razvoj, te omogudava stvaranje velike količine energije. Problem u ostvarivanju

blagodati stvaranja fuzijske energije jest tehnički ostvariti sve predispozicije i uvjete za

stvaranje više energije iz fuzijskih reakcija nego što mi moramo uložiti energije u sustav da bi

on funkcionirao. Bududnost dolazi, tehnologija napreduje i jednoga dana de ljudi imati,

usudio bih se redi, beskonačni izvor energije za svoje civilizacijske potrebe.

Jednostavno fuzijsko gorivo, teški izotopi vodika (deuterij i tricij), stvaramo iz vode

koja je relativno nepresušni izvor (jedan u 6.500 atoma na Zemlji je atom deuterija, te se

nalaze na cijelom svijetu). Jedna litra morske vode bi mogla proizvesti jednaku količinu

energiju kao 300 litara benzina, dok gorivo iz 50 čaša vode sadrži količinu energije

ekvivalentnu dvije tone ugljena.

Isto tako fuzijska nuklearna elektrana ne bi proizvodila nikakve plinove koji utječu na

promjenu klime, te mnogo manje količine radioaktivnih nusprodukata kao današnje

nuklearne elektrane. Također ne bi bilo opasnosti za odbjegle reakcije ili topljenje jezgre kao

što smo imali primjere u sadašnjim nuklearnim elektranama.

Zaključujem da su fuzijske nuklearne elektrane bududnost izvora energije za

čovječanstvo. Broj ljudi na Zemlji raste velikim brojem, ali i njihova želja za korištenjem

električne energije. Kako bi se moglo osigurati dovoljno električne energije za sav potencijal

njezinog korištenja, trebamo više ulagati u razvoj novih tehnologija koje de nam omoguditi

korištenje, u bližoj bududnosti, ovaj nepresušni izvor energije.



5. Priprema školskoga sata

Tijekom pisanja ovog diplomskog rada uvidjela se mogudnost pisanja pripreme

školskog sata za dvije nastavne jedinice. Kako nisam želio da se propusti niti jedna, tako sam

odlučio u sam diplomski rad uvrstiti dvije nastavne jedinice. Jedna je o samoj atomskoj jezgri,

a druga je o fuzijskim uređajima. Obje nastavne jedinice de biti razrađene za završni razred

četverogodišnjih škola koje u programu imaju fiziku.



NASTAVNA JEDINICA: Atomska jezgra

ŠKOLA srednja škola – četverogodišnji program fizike Razred Datum

MENTOR

4. STUDENT Marko Sever

NASTAVNI PREDMET Fizika

NASTAVNA JEDINICA Atomska jezgra

Z A

D A

C I

OBRAZOVNI (kognitivni, spoznajni)

Uvesti pojam atomske jezgre

ODGOJNI (afektivni, doživljajni)

Razvijati ispravno stajalište o istraživanju

FUNKCIONALNI (psihomotorni, djelatni)

Razvijati stečena znanja

Razvijati misaone sposobnosti analize i sinteze

Razvijati sposobnost prijelaza konkretnog mišljenja na apstraktnu razinu

A R T I K U L A C I J A SA T A

UVODNI DIO

U uvodnom dijelu dotaknut du se što učenici znaju o atomskim jezgrama,

konstituentima atomske jezgre i sila djelovanja.

GLAVNI DIO

Učenici sami dolaze do zaključka kako atom izgleda u planetarnom

modelu. Uvodim Rutherfordov pokus koji im pobliže daje do znanja da su

na dobrom tragu kvantifikacije modela atoma. Pojašnjavajudi što je

pogrešno kod planetarnog modela, polako uvodim Bohrov model atoma.

Na ovaj način se uvodi pojam diskretnih stanja i kvantna mehanika. Na

kraju im dajem do znanja da niti ovaj model atoma ne objašnjava fizikalni

izgled atoma do kojega se dolazi pokusima i modernom fizikom.

ZAVRŠNI DIO

Provjera stečenog znanja o atomskoj jezgri interaktivnim dijalogom.

OBLICI RADA

1. Frontalni 2. Individualni 3. Skupni 4. Rad u parovima

5. Kombinirani

NASTAVNE METODE 1. Metoda demonstracije 2. Metoda praktičnih radova 3. Metoda crtanja 4. Metoda pisanja 5. Met. čitanja i rada na

tekstu 6. Metoda razgovora 7. Metoda usmenog

izlaganja 8. Eksperimentalna 9. Simulacija 10. Učenički seminari 11. Pedagoška radionica

KORELACIJA S DRUGIM PREDMETIMA Kemija

NASTAVNA POMAGALA I SREDSTVA Kompjuter, projektor



TIJEK IZVOĐENJA NASTAVE

N: Poimanje atoma u školama zna biti jako težak konceptualan problem. Zbog toga

smatram da je jako bitno potrošiti dovoljno vremena kako bi se koncept osnovnog

građevnog materijala svijeta koji nas okružuje objasnio učenicima.

Kako izgleda atom, od čega je građen i koji mu je promjer?

U: Atom je građen od jezgre i elektrona koji kruže oko same jezgre atoma. Jezgra

se sastoji od protona i neutrona, a promjer atoma je reda veličine . Jako podsjeda na

planetarni model, tj. elektroni se gibaju kao planeti oko zvijezda.

N: Promjer atoma iznosi oko . U središtu atoma je atomska jezgra, koja je

mnogo manja od samoga atoma. Polumjer same jezgre iznosi . Međutim, njezin

promjer skriva najvedu koncentraciju mase atoma, više od 99%. Kako odmah možemo

primijetiti da najvedi dio prostora zauzima elektronski omotač atoma, možemo ustvrditi kako

je taj isti prostor uistinu vedinski šupalj.

Kako bi izračunali obujam jezgre atoma, tj. odnos veličina obujma veličine atoma i

jezgre atoma?

U: Volumen se računa

, gdje trebamo uvrstiti veličinu radijusa jezgre

atoma, te samoga atoma i odrediti njihov odnos.

N: Obujam jezgre je oko puta manji od obujma atoma! To možemo pokazati

kratkim izračunom:

( )

( ) ( )

Premda je uopde teško zamisliti ljudskome mozgu ovakve veličine, smatram da možemo

ilustrirati odnos veličina u atomu. Ako zamislimo i povedamo atom do veličine grada

Zagreba, pokušajmo vidjeti koliki bi bio atom, a koliki elektron, u odnosima veličina.

Atomu bi se tada povedao promjer s na , a to znači puta. Isto

toliko povedajmo i promjer jezgre, . Atom bi bio velik poput grada

Zagreba, jezgra poput lopte za pilates, a elektron bi bio veličine čestice fine gline (red veličine

vedi od nano-čestice).



N: Da li netko zna kako bismo mogli dokazati da se atom sastoji od jezgre atoma i

elektronskog omotača? Da li vam pada na pamet ikakav pokus kojeg bi mogli raditi da

pokažemo i dokažemo strukturu atoma?

U: Mogli bi pokušati s pokusom sudara. Ako uzmemo neku tešku jezgru i gađamo

je s lakšom mogli bismo pokazati da postoji jezgra atoma.

N: Na ovakvu ideju je došao i Ernest Rutherford 1909. godine kada je napravio svoj

poznati eksperiment s tankim listidima zlata. Tada je on odlučio njih gađati s alfa česticama.

Ono što je ubrzo uvidio jest da se neki od tih alfa čestica odbijaju pod raznim kutovima, pa

neki i potpuno nazad istim pravcem od kuda su stigli. Tada je došao do zaključka da mora

postojati čvrsta teška jezgra u središtu atoma, a atoma je prazan prostor.

Problem koji ovaj model nije objašnjavao jest zašto kod eksperimenata s električnim

izbojima kroz razne plinove manjeg tlaka u staklenim cilindrima pokazuju da atomi emitiraju

svjetlost samo određene diskretne frekvencije. Što mislite zašto se to događa?

U: Zato što elektroni koji se gibaju oko omotača ne kruže na bilo kojim

udaljenostima od jezgre atoma, ved samo na određenim diskretnim udaljenostima. Kako smo

u kemiji učili postoje točno određene orbite elektrona u atomu.

N: Niels Bohr je 1913. predstavio svoju ideju modela atoma. Elektroni se gibaju samo po

određenim orbitama, diskretnim udaljenostima dobro definiranima, po kojima se nalaze

elektroni. Elektroni pri prelasku iz jedne orbite u drugu gube ili primaju diskretno određenu

količinu energije koja se određuje Planckovom relacijom . Frekvencija

radijacije emitirane orbite perioda je ista kao i u klasičnoj fizici i ona iznosi

.

Naravno da ne bude sve jednostavno, ovaj model ne objašnjava kako u stvarnosti

atom izgleda. Ono što je važno kod Bohrovog modela atoma jest da se zakoni klasične

mehanike mogu aplicirati na gibanje elektrona oko jezgre, u posebnim uvjetima, tako da je

to razlog zašto se još uvijek danas koristi ovakav model atoma. Drugi razlog jest da pravilno

opisivanje modela atoma sadrži kvantnu mehaniku koju teško možemo objasniti bez

uvođenja kompleksnih matematičkih modela.



NASTAVNA JEDINICA: Fuzijski uređaji

ŠKOLA srednja škola – četverogodišnji program fizike Razred Datum

MENTOR

4. STUDENT Marko Sever

NASTAVNI PREDMET Fizika

NASTAVNA JEDINICA Fuzijski uređaji

Z A

D A

C I

OBRAZOVNI (kognitivni, spoznajni)

Ponoviti znanje o atomskoj jezgri

Ponoviti znanje o fuzijskoj energiji

ODGOJNI (afektivni, doživljajni)

Razvijati ispravno stajalište prema istraživanju

Razvijati preciznost u mjerenju

FUNKCIONALNI (psihomotorni, djelatni)

Razvijati misaone sposobnosti analize i sinteze

Razvijati sposobnost prijelaza konkretnog mišljenja na apstraktnu razinu

A R T I K U L A C I J A SA T A

UVODNI DIO

U uvodnom dijelu du provjeriti znanje učenika o temeljnim pojmovima atoma,

jezgre i energije.

GLAVNI DIO

Raspravljat demo o fuzijskim nuklearnim postrojenjima koja bi u bududnosti

mogla doprinijeti rješavanju civilizacijskog problema dostupnosti električne

energije. Uvest du im pojam kontroliranih uvjeta fuzije, te na što sve trebamo

paziti, u fizikalnim procesima, da bismo mogli ostvariti kontroliranu fuziju.

ZAVRŠNI DIO

Rasprava o fuzijskoj energiji i njezinom značaju za budude korištenje električne

energije.

OBLICI RADA 6. Frontalni 7. Individualni 8. Skupni 9. Rad u parovima 10. Kombinirani

NASTAVNE METODE 12. Metoda demonstracije 13. Metoda praktičnih radova 14. Metoda crtanja 15. Metoda pisanja 16. Met. čitanja i rada na tekstu 17. Metoda razgovora 18. Metoda usmenog izlaganja 19. Eksperimentalna 20. Simulacija 21. Učenički seminari 22. Pedagoška radionica

KORELACIJA S DRUGIM PREDMETIMA

NASTAVNA POMAGALA I SREDSTVA Kompjuter, projektor



TIJEK IZVOĐENJA NASTAVE

N: Na proteklim satovima učili ste o atomu, njegovoj strukturi, međudjelovanju atoma i

energiji. Zato bih danas malo s vama razgovarao o mogudnostima koje nam donosi fuzijska

energija.

Današnji problem fuzijskih nuklearnih elektrana je nemogudnost održavanja

kontroliranog procesa koji bi stvarao više energije nego što je potrebno uložiti energije u sam

proces. Zašto je fuzija najbolji izvor energije?

U: Zato što možemo dobiti velike količine energije iz fuzije. Sigurnost fuzijskih

elektrana je mnogo bolja nego današnjih fisijskih.

N: Na dobrom ste putu. Razlog tome je velika specifična iskoristivost energije,

neograničenost goriva, intrinzična sigurnost, bez imalo emisije ugljika.

Kontrolirani procesi koji daju gorivo Suncu za direktno stvaranje energije na Zemlji je

stara ideja. Deuterij, kojeg ima u morskoj vodi, može davati izvor energije fuzijskim

reakcijama, a problem radioaktivnog otpada kod nuklearne fuzije je mnogo manje ozbiljan

nego kod nuklearne fisije. Nažalost, tehnologija kontroliranih procesa fuzijskih reakcija se

pokazala teška za svladati. Srž problema nije omoguditi da se nukleoni sudaraju s dovoljno

energije kako bi svladali Coulombovu odbojnu energijsku barijeru, te da se spoje u jednu

jezgru, ved je problem osigurati da se taj proces događa u velikim brojevima. Veliki broj

nukleona bi u teoriji trebalo dovesti do energija dovoljno velikih da bi se spajali, jednostavno

zagrijavajudi ih, ali temperature potrebne da bi se ti procesi događali trebale bi biti na razini

nuklearnih energija jezgre, a ne atoma. Probajte procijeniti kolika bi bila ta energija?

U: Možemo procijeniti tu energiju na ⁄ , Coulumbova energija

između dviju električno nabijenih nukleona udaljenih radiusom , gdje je reda veličine

. Uvrštavajudi dobivamo da je vrijednost energije .

N: S čime možemo procijeniti ovaj iznos energije? Da li možemo usporediti energiju s

temperaturom i zašto?

U: Možemo uspoređivati energiju s temperaturom jer su one ovisne jedna o

drugoj. Viša temperatura znači vedu kinetičku energiju čestica, što je dakako usko vezano uz

energiju. Iznos energije je reda veličine temperature vrijednosti od koja je daleko veda

nego što bi bilo kakav mehanički kontejner mogao izdržati.



N: Ta temperatura je daleko veda nego ona na kojoj atomi gube elektrone, te se materija

pretvara u potpuno ionizirani plin elektrona i nukleona, u plazmu. Iako u Maxwellovoj

distribuciji postoji dovoljno čestica s velikim brzinama da bi temperatura od bila

dovoljna da proizvodi fuzijske reakcije, ipak je još prevelika za konvencionalne mehaničke

kontejnere.

Vremenska skala potrebna za fuziju plazme, kako bi dvije vrste čestica bile na

dovoljno visokoj temperaturi, iako nije potrebno da je , iznosi . Kako bi

čestice završile mnogo orbita između odbijanja iznosi , a kako bi se fuzija plazme

mogla smatrati kvazi neutralnima potrebno je vrijeme manje od .

Da li bismo mogli zaključiti neki od pristupa kako bismo mogli riješiti ovaj problem

kod stvaranja elektrane (kontroliranih uvjeta fuzije)? Da li postoji nešto čime možemo

kontrolirati predaju energije i tlak u točno određenim pulsevima?

U: Smatram da bi korištenje lasera bila jedna od mogudnosti kako stvoriti

kontrolirane uvjete za stvaranje fuzijskih reakcija.

N: Dva su jako različita pristupa rješavanju problema stvaranja i čuvanja vrude plazme.

Prvi pristup je inertno čuvanje, shema u kojoj su male kuglice materijala koje sadrže

nukleone pogodne za fuziju komprimirane jakom laserskom zrakom ili ionskim zrakama do

potrebnih temperatura i gustode za nuklearne reakcije. U ovom pristupu nema nikakvih

poteškoda kod čuvanja plazme u dugom periodu. Zrake se pale u pulsevima, a kuglice se

mijenjaju nakon svakog pulsa. Najvedi problemi u cijelom ovom pristupu povezani su s

razumijevanjem kako de se kuglice nukleona ponašati kada ih pulsne energetske zrake

pogode. Problemi su isto tako u konstrukciji i korištenju kuglica, te kontroliranju samih

laserskih zraka.

U drugom pristupu riječ je o magnetskom čuvanju plazme. Dodatna energija se

predaje kroz termalnu energiju apsorpcije elektromagnetskih valova, dok se plazma

kontrolira s magnetskim silama. Na ovaj način plazma se može čuvati u velikom vremenskom

periodu. Teškode koje se javljaju u ovom procesu su magnetska polja koja ne utječu na

komponentu gibanja nabijene čestice uzduž usmjerenja linije magnetskog polja, pa plazma

ima tendenciju „squirt out“ u jednom od smjerova. Kako bi se izbjegao ovaj problem, moraju

se koristiti komplicirane konfiguracije magnetskih polja. Tokamak je uređaj koji omogudava

da plazma bude kontrolirana u točno određenom prostoru. Veliki tokamak uređaji su vrlo

blizu osiguravanju samoodržavajudih reakcija.



i. Popis literature

1. „Fizika – valovi i čestice: Atomi i atomske jezgre“; Dr. Vladimir Paar, Školska

knjiga, Zagreb, 1991.

2. „Energy from heaven and earth“; Edward Teller, W.H. Freeman and company,

San Francisco, 1979.

3. „Physics – for scientists and engineers with modern physics“; Paul M.

Fishbane, Stephen G. Gasiorowicz, Stephen T. Thorton, Pearson Education

International

4. „National Ignition Facility: Ignition and Beyond“; William H. Goldstein and

Edward I. Moses, Lawrence Livermore National Laboratory, 29.8.2008.,

brijuniconference.irb.hr

5. „Magnetically Confined Thermonuclear Grade Plasmas“; K. Lackner, Max-

Planck Institut für Plasmaphysik, 1.9.2004., brijuniconference.irb.hr

6. www.iter.org

7. lasers.llnl.gov

8. ippex.pppl.gov/fusion

9. www.euronuclear.org



ii. Popis slika i ilustracija

Slika 1 Struktura atoma .............................................................................................................. 7

Slika 2 Radioaktivni raspad ....................................................................................................... 12

Slika 4 Dvije jezgre, ovdje deuterij i tricij, stapaju se u jednu te tvore helij, neutron i veliku

količinu energije ....................................................................................................................... 15

Slika 7 Godišnja potreba goriva za 1000 MW elektrane .......................................................... 18

Slika 8 Vremenska skala fizike fuzije plazme ............................................................................ 19

Slika 9 Fuziji je potrebna plazma na jako visokoj temperaturi ................................................. 20

Slika 10 Izgled NIF-a .................................................................................................................. 21

Slika 11 Sistem laserskih zraka ................................................................................................. 22

Slika 12 Komora za metu .......................................................................................................... 23

Slika 13 Jednostavan primjer rada lasera ................................................................................. 24

Slika 14 Primjer jednostavnog lasera ....................................................................................... 25

Slika 15 Minijaturna "zvijezda" kreirana u komori mete Nova lasera (NIF-ov prethodnik) ..... 26

Slika 16 Komora za metu .......................................................................................................... 27

Slika 17 Izgled ITER-a ................................................................................................................ 28

Slika 18 Unutrašnjost tokamaka na Princeton-u TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) .......... 29



Slika 19 ITER – osobine uređaja ............................................................................................... 31

Slika 20 Tipične dimenzije ITER-ove plazme ............................................................................. 31

Slika 21 ITER-ovi super vodljivi magnetski sistem .................................................................... 32



iii. Popis tabela

Tabela 1 Dvije vrste lančanih reakcija u zvijezdama: protonski ciklus i ugljik-dušik-kisik ciklus

.................................................................................................................................................. 16

Tabela 2 Nominalni parametri ITER-a ...................................................................................... 29

Tabela 3 Performanse parametara grijanja ............................................................................. 33



iv. Popis grafova

Graf 1 Stabilni nuklidi - odnos broja neutrona po broju protona .............................................. 8

Graf 2 Energija vezanja po nukleonu ....................................................................................... 14

Graf 3 Alternativa kod energije vezanja atoma ....................................................................... 16

Graf 4 Reaktivnost za pojedinu reakciju jezgara u fuziji .......................................................... 17

Documents

Marko Sever Fuzijske nuklearne elektrane