Fusioa; energi iturri agortezina
Fusio nuklearra bi nukleo arin batuz nukleo astunago bat sortzeko prozesua da, energi kantitate handia askatzen delarik. Hauxe da ezagutzen ditugun energi iturri guztietatik energi kantitaterik handiena ematen duena.
Energi kantitate ikaragarri hori erreakzioan suertatzen den masa-galera dela bide sortzen da. Baina, zer ote da masa-galera? Laborategian neurtutako nukleo atomikoen masa bere nukleoien (protoia eta neutroia nukleoi izenaz ezagutzen dira) masen batura baino txikiagoa da eta masa-diferentzia horri masa-galera deritzogu. Esaterako, laborategian egindako kalkuluen arabera 4 2 He-ren masa 4,0015 amu-koa (amu = masa-unitate atomikoa = 1,66077x x10 -27 kg. Atomoen masa neurtzeko erabiltzen den unitatea) da.
Bestalde, bere bi protoien eta bi neutroien masen batura 4,032 amu-koa da. Beraz, helio-nukleoa bere lau osagaiak konbinatuz sortuko bagenu, 0,0305 amu-ko masa-galera izango genuke. Non dago masa hori?. Galdera honi erantzuteko ALBERT EINSTEINek lortutako E = m . c 2 ekuaziora jo behar dugu. Ekuazio honen arabera masa bidez energia sor daiteke, eta alderantziz. Aurreko ekuazioaren arabera 0,0305 amu-ko masa 28,3 MeV-eko energiaren baliokidea da. Beraz, 4 2 He-a sortzean suertatzen den masa-galera energi gisa askatzen da.
Masa-galera honen ondorioz energia sortzen dela jakin zenean, fusio-ikerkuntza jaio bide zen. Harez gero arlo honetan buruturiko esperimentuak oso ugariak izan dira. Ikertutako fusio nuklearretan, errentagarriena hidrogenoaren deuterio eta tritio isotopoen artekoa da; energi kantitaterik handiena ematen duena bait da.
Fusio-erreakzioen ikerkuntzan topatzen dugun arazoa, besteak beste, langa elektrostatikoa gainditzearena da. Gogora dezagun elektrostatikaren arabera zeinu bereko kargak elkarrengandik aldaratu egiten direla, eta karga biak zenbat eta hurbilago egon are eta indar aldaratzaile handiagoa jasaten dutela. Beraz, bi nukleoen fusio-prozesua burutu nahi izanez gero, indar aldaratzailea gainditu beharra dago. Beronetarako milioika graduko tenperatura eta presio handiak beharko ditugu. Deuterio-Tritio fusio-erreakzioaren kasuan esaterako, 108ºC-ko tenperatura behar da. Fusio-ikertokietan diharduten ikerlariak tenperatura eta presio handiak lortzeko ahaleginak egiten ari diren arren, emaitzak ez dira behar bezalakoak.
Esanak esan, 1986.eko apirilaren 24ean “American Physical Society” erakundeak deitutako bileran esku hartu zuen STEVEN JONES fisikari amerikarrak, berak egindako esperimentuetan oinarrituz fusio-prozesua 100C inguruko tenperaturan burutzea lortua zuela esan zuen. Beronen eritziz, fusio-erreakzioan parte hartzen duen hidrogeno-atomo bietako baten elektroia muoi izeneko partikulaz ordezkatzerik izango bagenu, fusioa askoz tenperatura txikiagoan gertatuko litzateke. Beraz, fusio-erreakzioa muoiak katalizatua dela esan genezake.
Muoia 1936.ean erradiazio kosmikoan aurkitu zen. Ondoko taulak erakusten duenez, elektroia eta muoia oso antzekoak dira.
Taula honek muoiaren eta elektroiaren arteko antzekotasuna erakusten du.
Muoia oso ezegonkorra da, bere batezbesteko bizitzaren balioak erakusten duen bezala, eta elektroia baino 207 aldiz astunagoa. Azken propietate honen zioz, elektroi astun ezizenaz ezagutzen da.
Egia esan, Jones-ek proposatutakoa ez da ideia berria; duela berrogeiren bat urte Bristoleko Unibertsitateko F.C. FRANK fisikariak muoiak fusioa kataliza zezakeela iradoki bait zuen.
Ikus dezagun elektroia muoiz ordezkatzerakoan zer gertatzen den. Jakina denez, atomoaren erradioa masarekiko alderantziz proportzionala da. Beraz, muoidun hidrogenozko atomoa elektroiduna baino 200en bat aldiz barnebilduagoa litzateke eta muoia nukleotik askoz hurbilago legoke. Beronen ondorioz, muoiak nukleoaren karga positiboa mozorrotu egiten du eta nukleo honen eta beste nukleoren baten arteko indar aldaratzailea intentsitate txikiagokoa bide da, langa elektrostatikoa aiseago gainditua delarik. Beraz, ez dugu tenperatura nuklear handietaraino berotu beharrik.
Metodo honek fusiogintzan aurrerapauso handia dakarren arren, ez dugu arazo guztiak garbitu ditugunik pentsatu behar. Egia esan, orain arte aipatutako guzita teoria baino ez da eta praktikara eramatekotan teknologi arazoei irtenbideak eman beharko zaizkie.
Ikus dezagun F.C. Frank-ek muoi bidez katalizatutako fusio-erreakzioa nola azaldu zuen. Frankek garaturiko fusio-prozesua, ondoko lau urratsotan gertatzen da:
- urratsa: Muoiak hidrogeno-atomoaren elektroia bere orbitatik egotzi egiten du, muoidun hidrogenoa sortuz.
- urratsa: Muoidun hidrogeno-atomoaren inguruan deuterio edo tritiozko nukleorik egonez gero, muoia hidrogenotik deuteriora edo tritiora pasatuko litzateke, zeren muoiak nukleo pisutsuagoaren inguruan grabitatzean energia txikiagoko orbitalean egongo bait litzateke. Gogora dezagun termodinamikaren arabera sistema fisiko guztiek, eta gure kasuan muoiak, energiarik txikieneko egoerara edo mailara jotzen dutela. Beraz, muoidun deuterioa lortu dugu.
- urratsa:
Muoia bere oraingo nukleotik oso hurbil dagoenez, bere karga negatiboak nukleoaren karga positiboa mozorrotu egiten du, indar aldaratzaile elektrostatikoa gainditzeko erraztasun handiagoa egoten delarik. Orduan, muoidun deuterioak eta inguruko hidrogeno-atomoren batek elkarren kontrako talka egin lezakete. Talkaren ondorioz, hidrogeno-atomoaren elektroia muoiak egotzia izango litzateke eta muoiaren bidez deuterioa eta protoia elkartuko lirateke, mesomolekula eratuz.
Bi nukleook elkarrengandik oso hurbil daudenez eta bibratzen ari direnez, langa elektrostatikoa gainditu eta fusionatzeko aukera ezinhobean daude. - urratsa:
Frankek irudikatutako azken urrats honetan muoia desagertu egingo litzateke, desintegrazioz edo nukleoaren absortzioz, eta 3 He-zko nukleoa sortuko litzateke. Beraz, fusioa burutu egin da.
Frankek egindako kalkuluen arabera, azaldutako erreakzio-multzoa 10 -12 s-tan gertatzen da. Muoiaren batezbesteko bizitza 2,2.10 -6 s-koa denez, prozesua burutu daiteke, muoia desagertu aurretik fusioa gertatzen da eta.
Guzti hau plazaratu zenean, asmakeriatzat hartu zuten. 1956.era arte teoria honek ez zituen bere lehenengo oinarri esperimentalak izan. Berkeley-ko zientzilari-talde batek (LUIS ALVAREZ fisikariaren zuzendaritzapean) kaoi izeneko partikulen ezaugarriak ikertzen ziharduelarik, aipaturiko oinarri esperimentalak burbuila-ganbaran suertatu ziren. Esan dezagun burbuila-ganbara Fisika Nuklearrean erabiltzen den partikula-detektatzailea dela. Burbuila-ganbara 1952.ean D. A. GLASERek eta L. ALVAREZek sortua da. Ganbarara bere irakite-puntuaren inguruko tenperatura duen likidoa sartzen da. Likidoaren gaineko presioa txikiagotzean beraren irakite-tenperatura jaitsi egiten da.
Presioa nahikoa txikiagotuz gero, irakite-tenperatura likidoarena baino txikiagoa izatea lortuko dugu, likidoa gainberotze-egoerara eramango dugularik. Likidoa gainberotze-egoeran dagoela, lurrinkorra da eta lurrintze-zentrurik izatekotan (partikula solidoak edo ioiak, esaterako) lurrindu egiten da. Beraz, baldintza hauetan partikula ionizatzaileek likidoa zeharkatzen badute, ioien inguruan gas-burbuilak sortuko dira. Gas-burbuilek partikularen ibilbidea erakutsiko lukete eta ibilbidearen kurbadura neurtuz, partikulak identifikatu eta zein energiatakoak izan diren esan daiteke. Luis Alvarez-ek hidrogeno likidoa erabili zuen eta gainberotze-egoeraraino eraman zuen.
Ondoren, kaoi-sorta bat burbuila-ganbarako hidrogeno likidoan zehar pasarazi zuen eta ioien ibilbidean kurbadura neurtuz, kaoiez gain muoiak identifikatu zituen. Gogora dezagun kaioak partikula ezegonkorrak direla eta beren deskonposaketaren ondorioz, besteak beste, muoiak sortzen direla. Bestalde, ganbarako hidrogenoak deuterioa zuen 1/50.000-eko proportzioan. Hona hemen, beraz, Frankek irudikatutako fusio-prozesua gerta dadin bete behar diren baldintzak. Franken fusio-prozesurako baldintzak, azareak bildu bide zituen.
Baina, deuterio eta tritioaren arteko fusio-erreakzioak energi kantitate handiagoa ematen duenez, zientzilariek Franken metodoa D-T erreakziorako erabil zitekeela proposatu zuten.
L.I. PONOMAREV eta S.S. GERSTEIN ikerlari sobietarrek D-T erreakzioa hurrengo erara kataliza zitekeela proposatu zuten: hasieran, muoia tritiozko nukleoari atxekitzen zaio. Muoidun tritioa deuterio-molekularen batetik hurbil egonez gero, supermolekularen antzeko bat eratuko litzateke, zeinean deuterioa eta tritioa muoiaz lotuta bait leudeke.
Mesomolekularen barruan gertatzen da fusioa, lehenago deskribatutako prozesuaren antzera, baina badago desberdintasun nabari bat: kasu honetan mesomolekula azkarrago eratzen denez, fusioa azkarrago gertatzen da. Jarraian, deskribatutako prozesuaren egingarritasuna aztertu zuten sobietarrek eta egin zituzten kalkuluen arabera muoia desintegratu aurretik, 100 erreakzio baino gehiago katalizatuak izan zitezkeela frogatu zuten. Egindako kalkulu teorikoen arabera, muoi bidezko fusio-prozesua burutzea posible zela ikusita, ikerlariek prozesuaren energi errentagarritasuna aztertzeari ekin zioten.
1983.ean Steven Jones-ek eta bere ikertaldekideek egindako esperimentuetan muoiko 80 D-T fusio-erreakzio neurtu zituzten. Kopuru ona izanik ere, energi errentagarritasunaren ikuspegitik oso txikia zen; prozesuan gastatutako energia lortutakoa baino handiagoa bait zen. Muoia lortzeko bide batzuk dauden arren, pioi izeneko partikularen desintegrazioz lortu ohi dira, metodorik errentagarriena eta onena da eta. Pioiak nukleoien arteko talken ondorioz sortzen dira, gehienetan karbono-nukleoen eta protoien artekoak erabiltzen direlarik. Esan dezagun azaldutako muoiaren lorbidean 5 GeV-eko energi kantitatea behar dela eta Steven Jonesek bere esperimentuetan muoiko neurtutako 80 D-T fusio-erreakzioetatik 1,4 GeV-eko energi kantitatea lor daitekeela. Beraz, muoiko 300 edo 400 fusi-erreakziok gertatu behar lukete, prozesua errentagarri izan ledin. Hona hemen lehia!.
Izan ere, fisikariek saioak hobetzeko premia ikusi zuten. Idaho-ko Unibertsitateko fisikariek egindako saioetan, muoiko 170 fusio lortuak dituzte eta halako bi lortuko dituztelakoan daude. Gainera, fisikari teorikoek oso emaitza onak iragarri dituzte, eta esperimentuak zein teknika hobetuz, muoiko 103 fusio-erreakzio lor litezkeela esaten dute. Bestalde, muoiak energi kostu txikiagoz lortzeko metodoak ikertzen hasiak dira.
Fusio hotza lortua?
Iragarpen hauen aurrean fusiogintzan aritzen diren beste ikerlari batzuk adorez bete dira eta gogor ekin diete beren fusio-saioei. Ikerhelburuak giro-tenperaturan burututako fusio-prozesuan, hau da, gaur egun fusio hotza izenaz ezagutzen denekoan, daude. Izan ere, STANLEY PONSek eta MARTIN FLEISCHMANNek aurtengo martxoaren 23an Estatu Batuetako Utah-ko Unibertsitatean egindako prentsaurrekoan, berriki burutua duten fusio-prozesuaren berri eman zuten. Ikerlari hauek esperimentua 27ºC-ko tenperaturan burutu zuten, eta paladio eta platinozko elektodoak erabiliz, ur astunez (D2O) betetako upela elektrolitikoan deuterio-atomoen fusioa lortua zutela adierazi zuten.
Prentsaurrekoan ez zuten zehaztasun handirik eman eta emaitzak "Nature" aldizkariaren aurtengo maiatzaren alean argitaratuko zirela esan zuten. Osteko astean Steven Jones-ek Estatu Batuetako Columbia-ko Unibertsitatean eskainitako hitzaldian fusio hotzaren arloan egin dituen azkeneko esperimentuen berri eman zuen eta azaldu zuenaren arabera bere emaitzak S. Pons eta M. Fleischmann-enak baino fidagarriagoak dira, energi kantitate txikiagoa lortu arren.
Gogora dezagun Steven Jones-ek azken 5 urteok fusio hotzaren ikerkuntzan eman dituela. Beronen emaitzak ere "Nature" aldizkarian plazaratuko omen dira. Beraz, maiatzera arte itxaron egin beharko dugu. S. Pons eta M. Fleischmann-ek azken 40 urteotan fusiogintzan ihardun dira, hidrogeno-fusioa lortu nahiz. Hiru ikerlariok elkar ezagutzen dute eta garai batean fusio-ikerketak laborategiberean eta elkarrekin burutu zituzten, baina, batek daki zergatik, banandu egin ziren eta oso lehiatsu ibili dira beraien artean.
Esperimentuaren berri jaso eta zenbait ikerlari aurresaioak burutzen hasiak dira, lehen esanda bezala S. Pons eta M. Fleischmann-en fusio-prozesua egiaztatzearren. Estatu Batuetan fusio-energiaz diharduten ikerlarien koodinatzaile den STEPHEN DEAN, Pons eta Fleischmann-ek iragarritako emaitzen aurrean harritu egin da, zeren eta Brighmann Joung-eko Unibertsitateko fisikari batzuek ere esperimentu bera egin eta ez bait dute Pons eta Fleischmann-ek beste energia lortu. S. Dean-en aburuz, metodo honen bidez ez dago energi kantitate handirik lortzerik.
Estatu Batuetako Fisika–Erakundearen kide den ROBERT PARKek beren neurketak nola egin dituzten inor ez dakiela adierazi du. Deuterio-atomo biren fusioaldiren lehenengo erdian tritio-atomo bat eta protoi bat —R. Park-en ustez— sortzen dira eta beste erdian He (4)-atomo bat eta protoi bat. Sortutako neutroiaren norabideak eta energi espektroek fusioa gertatu den ala ez dagoen tresneria dela bide behinik behin. Beronen ustez, X izpiek interferentziarik sor dezakete; neutroien norabide eta energi kantitate berbera ematen bait dituzte.
Britainia Haundiko Energia Atomikoaren Erakundean DAVID WILLIAMSen zuzendaritzapeko ikerlari batzuek azken egunotan beharrezko saioak egin dituzte S. Pons eta M. Fleischmann-en saioaren fidagarritasuna ikusteko. Saioak Harwell-eko ikertokian egin dituzte eta ez dute neutroirik aurkitu. Egia esan, neutroien presentzia ezinbesteko da fusioa gertatu dela frogatzeko. Azken 50 urteotan Estatu Batuetan milaka milioika pezeta gastatu dira fusiogintzan. Hidrogeno-atomoak fusionaraztearren era guztietako metodoak erabili dira, hala nola, konfinamendu magnetikoaren bidezkoak, laser bidezkoak. Beraz, ez da batere harrigarria fisikarigoa bi kimikariek oso tresneria sinplea erabiliz lortutako emaitzen aurrean mesfidati agertzea.
Eritziak eritzi, S. Pons eta M. Fleischmann-en esperimentuaren gorabeherak jakiteko, esana denez, "Nature" aldizkariak argitaratuko duenaren zain egon beharko dugu. Baina, antza denez, honelaxe gertatzen da: korronte elektrikoa ur astunean zehar pasarazten dute. Korronte elektrikoak ur astuna disoziatu egiten du, 0= (oxigenoa) eta D+ (deuterioa) ioiak emanez. Orduan, D+ ioi positiboek paladiozko elektrodo negatibora (katodoa) jotzendute. Katodoan D+ ioi-kantitate handia pilatzen denean, deuterio-ioiek (batabestetik oso hurbil daudenez) fusionatu baino ez dute beste aukerarik.
Baina, erreakzio-produktuak era desberdinetakoak izan daitezke. Esaterako, helio (4) nukleo bat eta 3.25 MeV-eko energi neutroi bat sor daitezke. Bestalde, baliteke tritio-atomo bat eta 4 MeV-eko protoi bat sortzea, eta, ostean, tritio-atomo horrek deuterio-atomo batekin erreakzionatzea, helio (4)-nukleo bat eta 17,.5 MeV-eko neutroi bat emanez. Ikerlariak ez dira ados jartzen. Batzuen eritzitan lehenengo erreakzioa suertatzen da eta beste batzuek, ostera, bigarrena suertatzen dela diote. Somatzen denez, ez dago ideia-faltarik eta epe laburrean gizakiak fusio-prozesuaren barneko energia ikaragarria kontrolatzea lortuko bide du.
Amaitzeko, azken hitzok partikula-fisikagintzari eskaini nahi nizkioke, irakurlea fisikaren arlo honek dituen erabiltzeko aukerez ohar dadin. Jakina denez, atomoaren osagai diren elektroia, protoia eta neutroia aurkitu zirenez geroztik, fisikagintzaren historian zehar beste hainbat partikula (muoia, kaoia, pioia, positroia, ...) aurkitu dira. Partikula berriren bat aurkitzen zenero, fisikarigoa alde batetik lortutako aurkikundea zela eta poztu egiten zen, eta bestetik mundua gero eta korapilatsuagoa ikusten zuten. Horrelaxe jaio zen partikula-fisika eta orain arte beronen erabilera ia-ia kosmologiara eta astrofisikara mugatu izan arren, espero dezagun gizakiontzat hain beharrezko eta praktiko den energi iturri gisa ezezik beste giza beharretarako ere erabilpen praktikoa hemendik aurrera izan dezan.
Oharra : artikulu hau apirilaren erdi aldera idatzi da eta geroztik gai honi buruz sortuko diren albisteen berri ematen saiatuko gara.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
