Az egy nukleonra jutó kötési energia. Kis tömegszámú atommagok fúziója során az egy nukleonra jutókötési energia növekszik, ezáltal energia szabadul felAdeutérium-trícium (D-T) reakció a legtöbbet ígérő energiatermelés szempontjából
Amagfúzió olyanmagreakció, amelynek során két kisebbatommag egyesül egy nagyobbat eredményezve. Ez a folyamat lehetexoterm vagyendoterm, a kiinduló magokatomtömegeitől függően. A kémiai elemek közül avas és anikkel a legstabilabb, azaz ezek rendelkeznek a legnagyobb fajlagoskötési energiával. Ha a fúzióban részt vevő elemek könnyebbek a vasnál, akkor a folyamat energiafelszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni.
Ez a folyamat játszódik le acsillagokban is és ahidrogénbomba robbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója - endoterm voltukból kifolyólag - különleges feltételeket követel, mint például aszupernóva-robbanás fizikai körülményei. Ahidrogén, ahélium egy része (és alítium kis része) kivételével a Földön található összes elemek csillagokban és szupernóva-robbanás során jöttek létre.
A tudósok sokáig azt feltételezték, hogy aNap közönséges égésből nyeri az energiáját, és az ebből eredő fényt és hőt sugározza szét. A19. században néhány tudós (köztükLord Kelvin) vitatta ezt. Kelvin számításai szerintgravitációs összehúzódásból is eredhetne a kisugárzott energia, azonban ez a folyamat néhány millió év alatt véget is érne.
Einstein1905-ös híres képlete, azE = mc² (energia = tömeg szorozva a fénysebesség négyzetével) szerint azonban már az anyag kicsiny mennyisége is óriási energiává alakítható át.
1939-benHans Bethe német fizikus részletes matematikai levezetéssel leírta, hogyan lehetne a folyamatot a Földön is végrehajtani, ésfúziós reaktort létrehozni. Ehhez Bethe számításai szerint a hidrogénatomok hőmérsékletét 100 millió °C fölé kell emelni, és olyan kis térrészbe összenyomni, hogy a hidrogénatomok összeütközzenek, éshélium jöjjön létre. A kivitelezés korlátja az, hogy nem létezik olyan anyag, ami ezt a magas hőmérsékletet kibírná.
Hamar rájött, hogy a fúziós reakciótmágneses térrel tudja a kísérleti térben tartani. Egytoroid alakú csövet elektromos tekercsekkel vett körül, melyek mágneses teret hoztak létre abból a célból, hogy a hidrogéngáz ne érintkezzen a cső falával. Közbenlézerrel adtak át energiát a hidrogénnek, amelynek hőmérséklete így több millió fokra emelkedhetett. Az elrendezéssel az volt a probléma, hogy a csövet körülvevő mágneses tekercsek a cső belső falánál sűrűbben voltak elhelyezve, mint a cső külső oldalán. Ez ahhoz vezetett, hogy a belső oldalon erősebb mágneses tér alakult ki, emiatt a hidrogénatomok a cső külső oldala felé vándoroltak, majd közelfénysebességgel távoztak a berendezésből.
Erre a problémára is Spitzer fedezett fel egy megoldást. A csövet középen mintegy „megtekerve” egy 8-asra emlékeztető alakzatot hozott létre. A benne keringő hidrogén így az idő egy részében a cső belső fala mentén, az idő további részében a külső fal mentén halad, így nem alakulnak ki eltérések a mágneses térben, és a hidrogént is egyenletesebb tér veszi körül.
1951-re Spitzer befejezte az első hidrogénplazma-fúziós reaktor munkálatait, amitstellaratornak nevezett el (Sztellarátor,stella latinul csillag). Első alkalommal csupán a másodperc törtrészéig működtette a berendezést, mert nem volt biztos abban, hogy nem fog-ehidrogénbombaként felrobbanni.
Egy fél másodpercre a hidrogéngázszupernóvaként ragyogott fel, és hőmérséklete elérte a 40 millió °C-ot. A 60 cm átmérőjű berendezés összesen 2 másodpercig működött, majd a folyamat leállt, a plazma kihűlt.
A kísérlet legfontosabb eredménye az, hogy megmutatta, a fúziós reakciót a Földön is elő lehet állítani.[1]
Az atommagot az úgynevezetterős kölcsönhatás tartja össze, ami anukleonok között hat, nagyon rövid távolságon (10−15 m) belül. Az atommagok nagyobb távolságokon viszont taszítják egymást, mert a töltésük pozitív. Így kialakul egy potenciálgát, ami a hidrogénatom izotópjai, adeutérium és atrícium esetében 0,1 MeV. Hogy a fúzió megtörténhessen, az atommagok között le kell győzni a potenciálgátat. Ez jön létre a csillagok fizikai állapotában aplazmában, ahol az atommagok elektronjaiktól megfosztva léteznek, és amely fizikai folyamatot termonukleáris fúziónak vagy egyszerűbben magfúziónak neveznek.
Ha átszámoljuk a 0,1 MeV-ot hőmérsékletre, akkor 109Kelvin fokot kapunk, ami nagyon magas hőmérséklet, figyelembe véve, hogy egyikfém sem bírja halmazállapot-változás nélkül a 3700 kelvinnél magasabb hőmérsékletet. E hőmérséklet eléréséhez segít két fizikai effektus:
a Maxwell-féle sebességeloszlás szerint a sokkal alacsonyabb hőmérsékletű plazmában is vannak nagy, megfelelő energiájú atomok (csak kevés)
azalagúteffektus megengedi, hogy a kisebb energiájú atommagok is átjussanak a potenciálgáton
Ez a két effektus sem csökkenti azonban a kívánt hőmérsékletet elérhetőbb értékekre. Ezért a plazmát össze kell nyomni, hogy a hőmérséklete megnőjön. Ez három módon valósulhat meg:
gravitációval – amikor a plazma a saját súlya alatt nyomódik össze. Ehhez azonban nagy mennyiségű plazmagáz kell, ami csak acsillagokban fordul elő,
inerciális hatással – ha hirtelen sok energiát közlünk a plazmával, példáullézer segítségével, ekkor a plazmának nem lesz ideje kitágulni, így a hőmérséklete fog emelkedni a kívánt értékre.
Ahhoz, hogy egy fúziós reakció energiatermelés szempontjából kedvező legyen, a következő feltételeknek kell megfelelnie:
legyen exoterm,
kicsi legyen a protonok száma (akkor kevésbé taszítják egymást az atommagok) – tehát a legkönnyebb elemek közül kell választani,
két kiindulási anyag legyen,
két reakcióterméke legyen (az energia- és impulzusmegmaradás miatt)
Ezek alapján a lehetséges reakciókat a következő táblázat foglalja össze:
Mintalternatív energiaforrásnak, a fúziós reaktorok üzembe helyezése kiemelt fontosságú lenne, mivel számos előnye van:
az egész világon mindenhol igen hosszú ideig rendelkezésre áll az alacsony előállítási költségű alapanyag, ahidrogén, ezért gyakorlatilag végtelen energiaforrásnak tekinthető,
Magfúziós kutatások a világ szinte minden pontján folynak. Jelenleg[mikor?] több mint 30 kísérleti berendezés működik a világon, és ennél is több kutatóintézetben folynak elméleti kutatások, illetve technológiai fejlesztések a témában. Két fő ága van a magfúziós kutatásoknak: a mágneses összetartású és az inerciális fúziós kutatások. A mágneses összetartású fúziós kutatások jelenleg előrébb tartanak, és jelenlegi tudásunk szerint ez lehet az a megközelítés, amelyből az első fúziós erőmű megépülhet. Habár ezek a kutatások még kísérleti szinten folynak, már épül az első erőmű méretű fúziós kísérleti berendezés, azITER, amelynek célja, hogy bebizonyítsa, lehetséges a fúzió megvalósítása a Földön energiatermelési célokból, illetve, hogy tesztelje a későbbi erőművekben használt technológiai megoldásokat. Európában a magfúziós kutatásokat azEUROfusion konzorcium koordinálja, amelynek magyarországi képviselője aWigner fusion.
