Author(s): Karl Tischler, Gieljan de Vries
Eksploroni shkencën e përditshme pas kërkimit për të shfrytëzuar energjinë bërthamore– energjinë që fuqizon yjet – në një mënyrë të sigurt këtu në Tokë.
Kërkimi për energjinë e bashkimit bërthamor, një burim energjie potencialisht i qëndrueshëm dhe i bollshëm, ka qenë një udhëtim sfidues për shkak të teknologjisë së ndërlikuar të nevojshme për të shfrytëzuar energjinë e yjeve. Megjithatë, disa nga konceptet bazë të bashkimit bërthamor janë analoge me gjërat e njohura që shohim në shtëpitë tona, në rrugë dhe në natyrë.
Energjia e bashkimit bërthamor është një formë fuqie që krijohet nga bashkimi i atomeve së bashku. Ky është i njëjti proces që fuqizon diellin dhe yjet e tjerë.
Shkrirja e deuteriumit (2H) me tritiumin (3H) krijon helium-4 dhe një neutron dhe lëshon 17,59 megaelektron volt (MeV) si energji kinetike e produkteve. Një sasi përkatëse e masës zhduket, në përputhje me E=mc2 (energjia është e barabartë me masën me shpejtësinë e dritës në katror).
Imazhi: Wykis/Wikimedia, Domain Publik
Shkencëtarët në mbarë botën kanë punuar për të zhvilluar një mënyrë për të shfrytëzuar këtë energji në Tokë. Një nga metodat më premtuese për ta arritur këtë është përdorimi i një pajisjeje të quajtur ‘tokamak’.
Tokamaks
Një tokamak është një makinë në të cilën një sasi e vogël e gazit hidrogjen nxehet në një temperaturë shumë të lartë në të cilën elektronet shkëputen nga atomet. Kjo përzierje e grimcave të ngarkuara quhet “plazma”. Plazma përbëhet nga bërthama hidrogjeni, disa prej të cilave bashkohen për të formuar helium dhe lëshojnë një sasi të madhe energjie në proces. Qëllimi i tokamak-ut është të krijojë kushte që ky reagim i shkrirjes të zhvillohet në mënyrë të qëndrueshme dhe të gjenerojë një sasi të konsiderueshme energjie që mund të përdoret për të fuqizuar shtëpitë dhe qytetet në të ardhmen.
Rekord bashkimesh bërthamore
Një nga makinat më të njohura tokamak është Joint European Torus (JET) i vendosur në Culham, MB(Mbretëri e Bashkuar), dhe përdoret ekskluzivisht për kërkimin EUROfusion. JET është tokamaku më i madh në botë dhe ka qenë i dobishëm në avancimin e të kuptuarit tonë të energjisë së bashkimit bërthamor. Nga të gjitha tokamakët aktualisht në funksion, vetëm tokamak JET mund të përdorë si lëndë djegëse deuterium (2H) dhe tritium (3H). Ky është karburanti i planifikuar për pothuajse të gjitha modelet e ardhshme të termocentraleve me shkrirje të gjeneratës së parë. Deuteriumi është i disponueshëm në sasi të mëdha në ujin e detit, ndërsa tritiumi mund të krijohet nga litiumi i bollshëm metalik. Me deuterium dhe tritium, studiuesit e EUROfusion arritën energjinë dhe fuqinë më të lartë të bashkimit bërthamor të prodhuar ndonjëherë nga një tokamak në JET.
Kontrolli i plazmës
Tokamak është një makinë komplekse, por shumë nga teknologjitë e përdorura në të mund të gjenden në shkencën e përditshme. Për shembull, plazma në tokamak është e ngjashme me rrufenë që shihet gjatë një stuhie ose gazin e nxehtë në një tub fluoreshent.
Një llambë fluoreshente është një shembull i përditshëm i plazmës. Rryma elektrike rrjedh nëpër tub në një shkarkim të harkut me presion të ulët. Elektronet përplasen dhe jonizojnë atomet e gazit fisnik brenda tubit rreth filamentit për të formuar një plazmë.
Imazhi: Dmitry G/Wikimedia, CC BY-SA 3.0
Plazmat përbëhen nga elektrone të ngarkuar negativisht dhe bërthama të ngarkuara pozitivisht. Këto grimca të ngarkuara mund të mbahen brenda dhomës së vakumit të një tokamaku pa prekur muret, falë fushave të fuqishme magnetike. Brenda tokamakut, grimcat e plazmës nxehen në temperatura jashtëzakonisht të larta deri në 150 milionë gradë Celsius. Kjo është shumë më e nxehtë se bërthama e Diellit, e cila vlerësohet të jetë rreth 15 milionë gradë Celsius.
Pamja e brendshme e tokamak JET mbivendosur me një imazh të një plazme të marrë me një video-kamerë me spektër të dukshëm.
Imazhi është dhënë nga EUROfusion
Sistemi i izolimit magnetik në tokamak është i ngjashëm me parimet e përdorura në një motor elektrik. Një motor elektrik përdor një fushë magnetike për të krijuar lëvizje dhe tokamak përdor një koncept të ngjashëm për të mbajtur plazmën në vendin e duhur. Magnetët krijojnë një fushë të fortë magnetike që rrethon plazmën, duke e zënë atë në qendër të tokamakut. Tokamakët e ardhshëm do të përdorin magnet superpërçues, të cilët janë bërë nga materiale të veçanta që mund të përcjellin elektricitetin pa humbur asnjë energji.
Skema e një tokamak: mbështjelljet magnetike (blu dhe gri) përdoren për të kontrolluar plazmën e shkrirjes (rozë)
Imazhi është dhënë nga EUROfusion
Ngrohja
Pasi plazma është kapur në një kuti magnetike, është koha për të filluar ngrohjen e saj. Një mënyrë për ta bërë këtë është duke përdorur mikrovalë të ngjashme me ato të përdorura në kuzhinën tuaj. Megjithatë, mikrovalët në tokamak janë me një frekuencë dhe fuqi shumë më të lartë se ato që gjenden në mikrovalën e kuzhinës suaj. Të dy përdorin valë elektromagnetike si valët e radios, por me një frekuencë më të lartë/gjatësi vale më të shkurtër. Një veti e këtyre valëve është aftësia për të bërë grimcat të lëvizin, gjë që ngroh plazmën duke i bërë grimcat të lëvizin më shpejt dhe të përplasen së bashku me më shumë forcë, gjë që e bën reaksionin e bashkimit më të mundshëm. Kjo është e ngjashme me ngrohjen e ushqimit në mikrovalën e kuzhinës.
Një nga sfidat më të mëdha në zhvillimin e energjisë së bashkimit bërthamor është arritja e një reagimi të qëndrueshëm të bashkimit. Shkencëtarët duhet të sigurohen që plazma të jetë mjaft e nxehtë dhe fusha magnetike të jetë mjaft e fortë për ta mbajtur plazmën të mbyllur në tokamak për një kohë të mjaftueshme për të gjeneruar një sasi të konsiderueshme energjie. Studiuesit e EUROfusion në JET kanë bërë përparim të rëndësishëm në këtë fushë dhe kanë arritur reagime të qëndrueshme të shkrirjes për disa sekonda në një kohë. Tokamakët e ardhshëm, si pajisja e Reaktorit Ndërkombëtar Termonuklear Eksperimental (ITER), janë krijuar për të krijuar plazma me energji të lartë për pesëmbëdhjetë deri në gjashtëdhjetë minuta në të njëjtën kohë.
Mbajtja ftohtë
Një aspekt tjetër i rëndësishëm i tokamak është sistemi i ftohjes. Një tokamak si JET gjeneron një sasi të madhe nxehtësie, e cila duhet të hiqet për të parandaluar dëmtimin e makinës. Tokamak JET kryesisht përdor ftohje inerciale, por gjithashtu ka një sistem të kufizuar të ftohjes së ujit për të hequr nxehtësinë nga divertori i tij, i cili është i ngjashëm me sistemet e ftohjes që përdoren sot në termocentralet.
Në të ardhmen, qëllimi është që termocentralet me shkrirje të përdorin nxehtësinë e prodhuar nga reaksionet e bashkimit për të vënë në punë turbinat me avull dhe për të gjeneruar energji elektrike. Ata do ta transformojnë procesin që fuqizon yjet në një mënyrë që ne të prodhojmë energji elektrike të pastër këtu në Tokë.
Shkenca e përditshme në teknologjinë tokamak
Tokamak është një makinë komplekse që përdor një kombinim teknologjish për të kufizuar dhe ngrohur plazmën dhe për të krijuar kushte për zhvillimin e reaksioneve të shkrirjes. Shumë nga teknologjitë e përdorura në tokamak JET mund të lidhen me shkencën e përditshme, të tilla si plazma e parë si rrufe në stuhi, parimet prapa motorëve elektrikë dhe mikrovalët në furrat e kuzhinës. Sfida është zhvillimi dhe optimizimi i të gjitha këtyre teknologjive dhe bashkimi i tyre për të krijuar një sistem të qëndrueshëm, një detyrë që kërkon një bashkëpunim të gjerë midis inxhinierëve dhe shkencëtarëve nga një gamë e gjerë fushash. Megjithëse qëllimi i reaksioneve të qëndrueshme të bashkimeve dhe një burim praktik energjie është ende një punë në progres, kërkimet e EUROfusion në tokamakët si JET po na afrojnë më shumë drejt realizimit të energjisë së shkrirjes.
Resources
Institutions
Review
Disa pyetje të të kuptuarit që mund të përdoren pas klasës:
- Tregoni se çfarë nënkuptohet me reaksion bashkimi
- Të shpjegojë kuptimin e fjalës torus
- Nga mund të merret deuteriumi?
- Tregoni çfarë nënkuptohet me izotop
- Tregoni sfidat e krijimit të energjisë nga reaksionet e bashkimit
- Tregoni përfitimet e krijimit të energjisë nga reaksionet e bashkimit.
License
Text released under the Creative Commons CC-BY license. Images: please see individual descriptions.
