Tuumaühinemine

Tuumaühinemine ehk tuumafusioon on kergete aatomituumade ühinemine raskemateks tuumadeks. Sõltuvalt tekkiva tuuma seoseenergiast võib selle reaktsiooni tulemusena energiat vabaneda (uue tuuma seoseenergia on väiksem kui ühinevate tuumade seoseenergia) või neelduda (uue tuuma seoseenergia on suurem kui ühinevatel tuumadel). Et raua ja nikli tuumadel on kõige väiksem seoseenergia, siis rauast väiksemate tuumade tekkimisel reeglina energiat vabaneb ja rauast suuremate tuumade tekkimine vajab välist lisaenergiat.

Tuumaühinemine toimub looduslikult tähtedes ning on tähtede energia allikaks. Maa peal on tuumaühinemiseks vajalikke tingimusi raske luua, sest tuumaühinemise toimumiseks peab ühinevatele tuumadele eelnevalt andma energia, mis ületaks positiivse laenguga tuumade omavahelise elektromagnetilise tõukejõu (energiabarjääri). Tootlikud tuumaühinemisel töötavad elektrijaamad oleks võimalik lahendus inimkonna energiavajadustele, kuna selle jaoks vajalikku kütust saab mereveest ja liitiumist ning reaktsioon ei tekita kasvuhoonegaase ega radioaktiivseid jäätmeidl. Valdav enamus tuumasünteesist toimub tuumaühinemise teel.

Tuumaühinemise reaktsiooni eeldused

Tuumaühinemise reaktsiooni teostumiseks on vaja ületada energiabarjäär (Coulombi barjäär) ja viia ühinevad tuumad piisavalt lähedale, et nende vahel saaks tekkida seoseenergia. Sõltuvalt energiabarjääri ületamise meetodist eristatakse ka erinevaid tuumaühinemise reaktsiooni tüüpe.

Tuuma seoseenergia

 Pikemalt artiklis Seoseenergia

Nukleone hoiab aatomituumas koos tuumajõud, mis on tugeva vastasmõju teisene väljendus. Tuumajõud mõjuvad kõigi nukleonide vahel, kuid tuumajõu mõjuraadius on piiratud. Veidi lihtsustatult võib öelda, et iga nukleoni mõjutavad (olulisel määral) tuumajõuga ainult tema vahetus naabruses olevad nukleonid. Nukleonid, mis on igast küljest teiste tuuma nukleonidega ümbritsetud, on tugevamalt seotud kui tuuma välispinna nukleonid. Sellest tulenevalt kasvab tuuma seoseenergia uute nukleonide tuuma lisandumisel (täielikult ümbritsetud nukleonide arv kasvab kiiremini kui välispinnal olevate nukleonide arv).

Tuuma koostisesse kuuluvate positiivselt laetud prootonite vahel mõjub lisaks tuumajõule ka elektromagnetiline tõukejõud. See on tuumajõust palju väiksem, kuid tema ulatus ei ole piiratud. Seega mõjutab iga tuuma koosseisu kuuluvat prootonit kõigi teiste prootonite positiivne elektrilaeng. Suuremates tuumades hakkab see tõukejõud tuumajõu tõmbejõudu tasakaalustama ja isegi ületama. Nikkel-62, raud-58, raud-56 ja nikkel-60 on kõige suurema seoseenergiaga tuumad. Nendest suuremates tuumades hakkab seoseenergia tänu elektromagnetilisele tõukejõule aeglaselt vähenema. Ülisuurtes tuumades (transuraanid) on seoseenergia isegi negatiivne ning põhjustab tuuma kiire lagunemise.

Tuumaühinemise protsess saab iseseisvalt toimuda ainult juhul, kui ühinenud tuumade seoseenergia on ühinevate tuumade seoseenergiast suurem. Vastasel juhul on vaja tuumaühinemise protsessi toimumiseks anda tuumadele lisaenergiat.

Energiabarjäär tuumade ühinemisel

 Pikemalt artiklis Coulombi barjäär

Deuteeriumi ja triitiumi ühinemise skemaatiline kujutus

Eelpool kirjeldatust tuleneb ka energiabarjäär, mis takistab normaalsetes oludes tuumaühinemist. Selleks, et tuumad ühineksid, tuleb nad välise jõu abil viia piisavalt lähedale (teineteisega kontakti), et tuumajõu tõmme ületaks elektromagnetjõu tõuke. Et elektromagnetiline tõukejõud on võrdeline prootonite arvuga ühinevates tuumades, siis mida suuremad on ühinevad tuumad, seda kõrgem on nende ühinemist takistav energiabarjäär. Seda barjääri kutsutakse ka Coulombi barjääriks.

Kõige väiksem energiabarjäär on ühe prootoniga tuumade ühinemisel (vesinik). Et kahest prootonist koosneva aatomituuma stabiliseerimiseks on vaja ka neutroneid, siis kõige väiksem energiabarjäär on vesinik-2 (deuteerium) ja vesinik-3 (triitium) ühinemisreaktsioonil, 0,01 MeV. Selle reaktsiooni tulemusena tekib heelium-5 ebastabiilne tuum, mis stabiilsuse saamiseks kiirgab kohe neutroni. Reaktsiooni tulemusena tekkinud neutron saab energia 14,1 MeV ja heeliumi tuuma jääkenergia on 3,5 MeV.

Energiabarjääri ületamise meetodid

Tuumaühinemise energiabarjääri ületamiseks vajalikku energiat saab tuumadele anda mitmel moel. Näiteks elementaarosakeste kiirendis tuumasid kiirendades, tuumadest koosnevat plasmat süttimistemperatuurini kuumutades (termotuumareaktsioon) või kasutades katalüsaatoreid.

Tuumade kiirendamine

Raskete tuumade tekitamiseks kasutatakse enamasti aatomituumade kiirendamist. Sõltuvalt kiirendi tüübist eristatakse osake-märklaud reaktsiooni, kus kiirendatud tuumad põrkuvad vastu seisvat märklauda ja osake-osake reaktsiooni, kus põrgatatakse kokku kaks kiirendatud tuumade kimpu. esimest reaktsiooni on lihtsam teostada, kuid teine võimaldab suurema energiaga kokkupõrkeid.

Termotuumareaktsioon

 Pikemalt artiklis termotuumareaktsioon

Kergete aatomituumade (st. madala energiabarjääriga tuumade) puhul kasutatakse tuumadest koosneva plasma kuumutamist temperatuurini, mille puhul tuumad põrkuvad tänu nende soojusliikumisele. Seda, kõige levinumat meetodit, kutsutakse ka termotuumareaktsiooniks. Sõltuvalt kõrge temperatuuri saavutamise meetodist jagatakse termotuumareaktsioone omakorda alamliikideks, põhilised neist on:

• Tokamak-reaktsioon, mille puhul toimub plasma magnetiline kokkusurumine.
• Plasma kokkusurumine gravitatsiooni poolt, mis toimub ainult tähtedes.
• Plahvatuslik kokkusurumine, kus tuumakütuse välispinnale suunatakse tugev laservalgus või elektronid või ioonide kiir, mis kuumendab kütuse väliskihti plahvatuseni, mis omakorda suruv kütuse sisemust piisavalt kokku tuumaühinemise toimumiseni.

Külm tuumaühinemine katalüsaatorite abil

 Pikemalt artiklis müüon-katalüsaatormeetod

Külmaks nimetatakse tuumaühinemisreaktsioone, mille puhul tuumade ühinemine toimub plasma tekkimise temperatuurist madalamatel temperatuuridel (äärmuslikumatel juhtudel isegi toatemperatuuril). Tegelikult ei ole ükski tuumaühinemise reaktsioon otseses mõttes külm, kuna reaktsiooni lõpptulemusena eraldub alati osa energiat soojusenergia näol. Keemiliste katalüsaatorite kasutamisega üritatakse siduda deuteeriumi ioone, et neid seejärel elektrivoolu toimel teineteise vastu suruda. Väidetavalt on pallaadiumi elektroodidega rasket vett lõhustades märgatud ülemäärase soojuse eraldumist, kuid kindlaid tõendeid sellise tuumaühinemise toimumise kohta pole. Küll aga on võimalik müüon-katalüsaatormeetodiga tuumaühinemist läbi viia. Selleks lastakse müüonil moodustada deuteeriumi tuumadega raske vesiniku aatom, mis haarab kaasa veel ühe raske vesiniku tuuma ja moodustab raske vesiniku molekuli D², milles elektroni asemel tiirleb tuumade ümber müüon. Tulenevalt müüoni suurest massist on sellises aatomis tuumad teineteisele palju lähemal kui tavalises vesiniku aatomis. Eksisteerib piisavalt suur tõenäosus, et osades müüoniga seotud molekulides liiguvad tuumad teineteisele piisavalt lähedale, et tuumajõud suudavad (tunnelefekti abil) energiabarjääri ületada. Tulenevalt müüonite tekitamise keerukusest, nende lühikesest elueast (2,2 mikrosekundit) ja muudest kadudest, kulub müüon-katalüsaatormeetodil tuumaühinemise tekitamiseks oluliselt rohkem energiat kui ühinemise tulemusena vabaneb.

Rakendamine

Energiat tootva tuumasünteesi naljatatakse, et see on alati 20 aasta kaugusel. Hetke suurim plaanitav tokamak-tüüpi tuumasünteesi eksperiment, ITER, ei alusta tööd enne 2026. aastat, ning eeldatavalt kulub vähemalt kümnend, enne kui ITER-ile järgneb jätkuprojekt.

Ajalugu

Tuumasünteesi potentsiaal on teada juba 1920. aastast, kui F. W. Aston avastas, et neli H aatomit kaaluvad 0.7% rohkem kui üks He aatom ning Sir Edmund Eddington mõistis, et tähtede valgus võibki tuleneda sellest masside erinevusest, võrrandi E=mc² järgi. Kuuma plasma kokkusurumise eksperimendid algasid Ameerika Ühendriikides juba 1938. aastal, ent tõsisem uurimustöö algas Külma sõja ajal, kui uuriti just vesinikpommi kasutuselevõtu võimalusi. 1950ndatel avaldati Aatomid rahu nimel konverentsil mitmed seni saladuses hoitud uurimustulemused ning luugi ka rahvusvahelised ühendused ala põhjalikumaks uurimiseks. 1968. aastal kuulutasid Nõukogude Liidu teadlased, et nende tokamak-reaktor Novosibirskis on tootnud enneolematu hulga energiat. Sellele järgnes tokamakide rajamine mitmetes riikides, näiteks suurima energiatootlikusega reaktor, JET (Ühendatud Euroopa Toroid) Oxfordis, mis alustas küll tööd aastal 1973 peale 10-aastast ettevalmistusperioodi.

Hobifusioneerid

Hobifusioneerideks kutsuvad end eraisikud, kes on loonud tuumasünteesi tootvaid masinaid. Selliseid inimesi oli 23 juuni 2010 seisuga 38, nende hulgas ka näiteks üks koristaja ja 15-aastane kooliõpilane. Rahakulu reaktori kohta kõigub tugevasti, Thiago Olsonil kulus ~400 000 krooni, Mark Suppesil ~5 000 000 krooni.

Ohutus

Kuigi tuumasünteesi puhul ei ole ohtu, et toimub Tšornobõli-laadne katastroof, oleks tekkiv heelium-4 nõrgalt radioaktiivne ning ka kasutatavad reaktoriosad võivad olla radioaktiivsed. Samuti on kahjulikud eralduvad neutronid. Praegu puuduvad paljuski piirangud tuumasünteesi kasutamiseks, mis lubas Mark Suppesil ehitada enda tuumareaktor otse New Yorgi linna Brooklynisse.

Vaata ka

• Tuumalagunemine
• Tuumareaktsioonid
• Tuumasüntees

Välislingid

• Hobikorras tuumasünteesiga tegelevate inimeste kogunemiskoht [1]