I – Fuziunea nucleară pentru proști

Cuvânt înainte: Textul ăsta are mai multe introduceri, un deznodământ iar intriga e la sfârșit – am lipsit de la ora la care mă învățau la limba română cum se scriu operele literare

Am fost într-o zi să văd un teren pe care voiam să-l cumpăr și m-am întâlnit cu un prieten, pe care l-am reținut 5 minute să vorbim despre ce upgrade-uri și-a făcut la sistemul de încălzire, care s-au făcut vreo jumătate de oră, când am văzut automatizările și tuburile solare presurizate. După încă jumătate de oră ajunsesem pe la fuziunea nucleară și despre cum nu putem face energie gratis pentru că nu ne lasă principiul al doilea al termodinamicii și am plecat acasă că se făcuse noapte și mă așteptau soția și musafiri, iar eu nu eram nici măcar la băut. Așa că am rămas dator cu o explicație, pe care o fac aici, deși când am început să scriu altceva mi-a atras atenția.

Asta e doar prima introducere, care are legătură cu subiectul doar în preocuparea pentru energie ieftină.

Ce vreau să aduc în atenție e o altă lipsă de viziune a unei companii ( de stat românești) , Nuclearelectrica. Dar mai încolo.

Nu vreau să scriu mult pe temă, dar n-am încotro, așa că o să încep așa ușurel.

Nu suntem foarte aproape de a avea un generator eficient pe baza de fuziune nucleara, adică unul care să producă orișicât mai multă energie față de cât consumă, indiferent ce auziți prin media și pe internet. E o mică vrăjeală și ține de modul în care se măsoară câștigul de energie Q , care dă randamentul. Mai exact se prezintă mereu doar Qplasma, care reprezintă câștiul de energie raportat la energia injectată în plasma de hidrogen care trebuie să fuzioneze. Lucrul ăsta e relevant doar academic, pentru a demonstra fuziunea. Economic, contează energia totală introdusă în reactor, iar pentru asta toate “câștigurile” sunt subunitare (adică pierderi, ați mai auzit voi de profit negativ), mai exact cantitatea de energie necesară întreținerii reacției de fuziune e mai mare decât energia dezvoltată de reacția de fuziune. Cel mai mare Qtotal e pe la 0.67, adică se produce în reactor 67% din energia necesară pentru a susține reacția, adică nu poți avea un proces continuu care să se auto-susțină. Cum ar veni, nu se poate amorsa reacția asta.

Care e treaba cu plasma și de ce.

Pentru ca doi atomi să fuzioneze, adică (simplificat pe înțelesul oricărui pafarist) să se lipească de alt atom și să facă unul mai mare e nevoie să se întâmple un lucru simplu dar greu: Anume forța electromagnetică de respingere dintre 2 nuclei ( protonul e încărcat pozitiv) trebuie să fie invinsă cumva. Cum poți învinge o forță? Cu altă forță mai mare. SAAAU cu o forță mai mică și cu energie / momentum .

Ce e plasma asta?

O stare a materiei ( în care se regăsește circa 99% din materia din univers, pentru că masa universului e concentrată în stele) definită de un flux de atomi dezbrăcați de electroni. Procesul de dezbrăcare se întâmplă datorită vitezei de mișcare a atomilor și apropierii lor. Se ciocnesc cu energii suficient de mari pentru a scoate electronii de pe orbite. Iar nucleele lipsite de electroni sunt încarcate pozitiv. Dacă energia lor cinetică/ termică e așa de mare, și nucleele se pot ciocni și se poate întâmpla fuziunea. Dar sunt niște condiții.

De exemplu, dacă ai doi atomi de hidrogen și vrei să faci unul de helium, nu poți, în primul rând dacă măcar unul dintre ei e Deuteriu , iar asta are nevoie de o altă introducere.

Atomul de hidrogen cel mai comun e compus dintr-un proton, sarcină pozitivă ( nu întrebați de ce, că trebuie să fac altă introducere) și un electron, sarcină negativă. N-are neutroni, că e sărac. În natură există foarte puțini atomi de Deuteriu produși natural în stele, însă rata de producție e mai mică decât rata de consum și se consideră că toți cei rămași sunt cu noi de la crearea universului, când dumnezeu sau oricine era p-acolo, a dat cu bâta și a făcut big bang, sau ceva mare oricum. Destul de rar înseamnă  0.0156% din apa oceanelor are Deuteriu natural ( concentrație volumetrică). Ne-ar ajunge de-o măsea niște sute de ani.

Ca să faci Deuteriu există un proces relativ ieftin , care era implementat la nivel de fabrică și în România, era singura din Europa, la Turnul Severin și care s-a dat dracului, că era cu management românesc și aveau pierderi. Nu de apă grea, de bani. Procesul privește filtrarea apei normale, astfel încât să rămâi cu apa aia grea (0.02%) care are Deuteriu și pe urmă extragi deuteriul de acolo, dacă îți trebuie ăsta, în practică România are nevoie de apă grea pentru reactoarele de fisiune ( asta e altceva). E ok. Acuma importă. Se mai face la Rm. Vâlcea, dar în cantități de laborator, nu industrial.

De ce nu poți să faci heliu fuzionănd doar hidrogen de săraki? Pentru că dacă aduni 2 protoni și 2 electroni , Îți iese 1 atom cu 2 protoni, 2 electroni, care în teorie ar fi ²He – adică heliu fără neutroni, iar așa ceva nu prea există în practică, că nu e stabil. În limbaj comun, atomii ăia doi de hidrogen, nu stau, nu se lipesc unul cu altul, chiar dacă îi pui cu mâna.

Că de ce nu se lipesc?

Altă introducere și p-asta luați-o cu un țoi de rachiu, sau cu un cui, dacă n-aveți deloc treabă cu fizica. În fizica care a mai apărut prin școli după ce am făcut-o praf majoritatea dintre noi și ne-am luat restanțele, au mai fost prezentate niște particule mai mici decât protonii și neutronii, din care sunt făcute biluțele ăstea ( nu-s deloc bile, nici nu e clar ce sunt, dar nu ne ducem în cuantic, o lăsăm așa, ca pentru proști). Cum ar veni, niște cărămizi mai mici și colorate. Ele se numesc quarci care interacționează între ei prin forțe, iar particulele prin care se reprezintă forțele ăle,a așa cum energia pură e reprezentată de foton, se numesc gluoni ( de la lipici, că fac quarcii ăștia să stea împreună) , iar bucata de fizică care se ocupă cu ei se numește cromodinamică cuantică, nu contează , o să uitați detaliile ăstea oricum.

N-a văzut nimeni un gluon din ăla cum arată, nici quarci, e o reprezentare matematică, că au fost observate efectele . Ce contează e că quarcii ăștia ai dracului , au mai multe proprietăți , dintre care ne interesează sarcina electrică, proprietate fundamentală în fizică. În tabelul de mai jos, e notată ”Charge”.

Ne interesează doar 2 quarci de aici, ăla up și ăla down.

Un proton e făcut din 2 up și un down, nu mai întrebați de unde numele, că nu vă spun.

Un neutron e făcut din 2 down și unul up.

Fiți geană pe sarcina electrică și doamne ajută să nu fiți corigenți la aritmetică de clasa a 4-a.

Hai să calculăm sarcina protonului. up = +2/3, down = -1/3 ( asta e o treime de electron).

Protonul are sarcina 2/3 +2/3 – 1/3 = +3/3 adică +1, așa cum știm.

Neutronul are sarcină 2/3 -1/3 -1/3 = 0 , adică e neutru , așa cum îi spune și numele.

Și atunci care e treaba și de ce e nevoie de el? Pentru stabilitate și pentru că în interiorul unui proton treaba nu prea e neutră. Ai două sarcini pozitive și una negativă. Sarcinile ălea pozitive se resping acolo, dar respingerea e atenuată de quarcul down ( negativ electric), care îi atrage pe amândoi up. Poți să zici că ăia up stau și ei mai la margine și nu își dau coate că e ăla down între ei. Modelele teoretice sunt mai altfel, dar imaginați-vă așa.

Problema e că nu poți pune 2 protoni unul lângă altul, că nu stau. Oricum ai încerca să îi așezi în spațiu, quarcii up o să fie unii lângă alții neintermediați, sau din cei down și dacă nu stau de bună voie au nevoie de altă forță să-i țină cu japca, altfel ei pleacă înapoi fiecare pe drumul lor și se fac înapoi atomi de hidrogen mai bine. Principiul minimului efort, aștia divorțează când le merge nașpa, nu-s ca oamenii.

Doi protoni cu un neutron între ei stau mai bine.

Ăsta e nucleul unui atom de heliu de masă 3.

Bun, acum că n-ați înțeles nici asta, măcar am explicat de ce ai nevoie de măcar un atom de Deuteriu la celălalt de hidrogen ca să produci reacția de fuziune. Ai nevoie de minim 2 protoni și un neutron, plecând e la cel mai simplu atom din univers.

Acum trebuie să ne separăm un pic perspectiva – cum se face fuziunea în stele , cum încearcă oamenii și de ce diferit.

În stele procesul de fuziune începe de la hidrogenul ăla simplu, de săraci fără Deuteriu, că n-ai avea destul Deuteriu natural să faci vreo fuziune vreodată, am sta toți pe intuneric.

Doi atomi de hidrogen sărac, fac 1 atom de hidrogen bogat și mai rămâne ceva, radiații beta.

De fapt, mai riguros se întâmplă asta:

Ce se întâmplă e așa: Doi atomi de hidrogen se contopesc într-un atom de hidrogen care are neutronul ăla în plus. E ca și cum ai spune că în cadrul unuia din cei doi atomi, un quarc up, se transforma într-un quark down și astfel protonul și neutronul se lipesc.

Dar transformarea asta strică aritmetica sarcinilor , adică 2 protoni au sarcină 2+, 1 proton și un neutron au doar +1, iar respectivii atomi au fiecare câte un electron. Atomii nu pot exista stabili sub formă ionizată. Prin urmare o sarcină se pierde/ se distruge . Este emisă din nucleu o altă sarcină sub formă de un pozitron. e+ aia înseamnă. Iar litera cea de lângă, este electron neutrino, nu vă concentrați pe el, are importanță cuantică și reglează niște mase și energii.

Hai să traduc și treaba asta. Deci ai un nucleu de un proton și un nucleu făcut din 2 protoni, din care unul devine neutron. Dar știi că fiecare hidrogen avea câte un electron, deci în total 2. Iar acum rămâne doar unu, că asta e șmecheria. La deuteriu, transformarea e cu pierderea unui electron. Ca să poți justifica, în termeni de particule, că băi, unde s-a dus electronul ăla, zici că s-a emis un pozitron din nucleu, care l-a mâncat. Adică ce e pozitronul? Pozitronul e anticristu’, cum ar veni, e antielectronul; exact – antimaterie. E o explicație pentru fenomenul de dispariție a electronului ( e mai complicat, dar nu ne concentrăm nici pe asta).

De ce e importantă treaba asta, e că dispariția electronului și conversia protonului în neutron se fac cu pierdere de masă , anume circa 0.1%. Iar aici vine Einstein și zice ”hopa, stai așa că nu poți să sacrifici masă, fără să adaugi energie” (). Iar la a doua reacție de Deuteriu + Hidrogen = Heliu, ai din nou o pierdere de masă, că nucleul de Heliu 3 are masă un pic mai mică decât cel de Deuteriu + unul de Hidrogen simplu. Și mai mică decât suma particulelor elementare din rețetă, dacă ar fi măsurate în libertate. Aici devine complex rău, rămânem la faptul că există o pierdere de masă care se traduce printr-o emisie de energie. V-aș spune că pierderea de masă se traduce dintr-o organizare mai eficientă a materiei + niște entropie care scade în nucleu dar care trebuie balansată cumva prin scoaterea ei în afara nucleului atomic, dar ne împotmolim, așa că o lăsăm aici.

Ce înseamnă asta? Pe limba prostului înseamnă că dacă reușești să lipești nucleele ăstea între ele, pierzi niște masă pentru că ai un nucleu mai organizat și câștigi niște energie. #valoare.

Forțele care se ocupă de conversiile ăstea se numesc ”forțe nucleare” – și caracteristica principală e că se întâmplă la distanțe foarte mici -> în interiorul nucleului.

Păi, cum am zis de la început, nucleii de atomi au sarcini electrice pozitive care se resping și sunt înconjurați de orbite cu sarcină negativă la exterior, care și alea se resping. Cu cât mai mulți protoni au, cu atât mai multe, cum ar veni că hidrogenul e cel mai ușor de contopit cu alți hidrogeni. După aia e și mai greu cu cât nucleii sunt mai mari. Intuitiv, nu? Trebuie mai întâi să scapi de straturile de electroni, cumva, iar apoi să prinzi nucleii ăia într-o menghină și să-i strângi până se lipesc.

Și ca să îi apropii pe ăștia , trebuie să vii, cum am zis, cu altă forța, sau cu energie – în limbaj de cocalar, să dai ca handicapatul cu viteză.

Asta încearcă experimentele curente să facă cu plasmă, susținută de câmpuri magnetice – adică un flux de nuclee concentrat la viteze mari pentru ca ele să se ciocnească, să depășească bariera electrostatică datorită vitezei lor ( energiei cinetice), adică să se miște așa de repede încât frânarea să nu se producă eficient până când bariera dintre nuclee a fost deja depășită și încep să lucreze forțele nucleare , care se întâmplă la distanțe intra nucleare.

Soarele are o șmecherie, se numește gravitație, din ciclul ”în unire stă puterea”.

Gravitația e o forță care acționează pe o distanță infinită, dar e foarte slabă. Adică scade cu distanța, nu liniar, ci proporțional cu pătratul distanței. Adică foarte-foarte repede. Și e și funcție de masă. Dar masele protonilor și ale neutronilor sunt foarte asemănătoare.

Dar aici vine parșivenia gravitației și a unirii, și un efect al teoriei relativității generalizate. Bariera electrostatică a sarcinii electrice e mult mai puternică decât gravitația, pentru 2 particule încărcate electric. Problema e că e dipol și că un atom are forța aia neutralizată de cele două tipuri de sarcini ( electron- proton) foarte aproape de orbita electronului. Doi protoni izolați se resping, ca gravitația dintre ei e prea mică față de sarcină, de aia ai nevoie de combinații cu neutroni.

Doi atomi se apropie până când orbitele lor electronice tind să se suprapună, după care bariera electrostatică ( bariera Coulomb) ce acționează între particulele purtătoare de sarcină de același timp îi ține la distanță. După care ai neutronii, care au o masă egală cu protonii, dar nu contribuie la bariera Coulomb, că nu sunt încărcați electric. Cu cât mai mulți neutroni, cu atât mai ușor de spart bariera Coulomb.

Dar cum ajungi să produci neutronii ăia? Un alt ajutor dat de gravitație, care apropie particulele la distanțele limită și mai produce un efect, acela de îndoire a spațiului. Ce se întâmplă atunci când un nor galatic colapsează e că mișcarea generează evident o creștere a temperaturii, este ceea ce se întâmplă când înghesui materie multă în spațiu puțin.

Tot datorită gravitației și a spațiului îndoit, imaginează-ți o bilă de metal pe un cearceaf suspendat la colțuri, curenții de gaz și plasmă care vor să scape de gravitație sunt accelerați pe orbite în jurul centrului de masă, nu radial către exterior. E la fel ca atunci când încerci să decolezi cu o rachetă de pe Pământ , doar că gravitația de pe soare e de 30 de ori mai mare decât pe Pământ, iar asta poate nu spune prea multe, dar diferența e fantastică. Concentrarea plasmei în mișcare pe orbită în jurul unei stele, spre deosebire de traiectorii radiale, creează fluxuri concentrare și crește enorm probabilitatea de coliziune.

Cu cât densitatea e mai mare, cu atât și energia termică crește , la fel și probabilitatea de coliziune. Cu cât gravitația crește cu atât izolezi mai bine mediul de reacție într-un mod natural. Pot scăpa doar fotonii ( adică energie prin lumină) dar până și ăia nu de gravitație direct, dar de curbura spațiului. Orice altă particulă care are o masă e direct afectată de gravitație.

Care e, deci, problema cu încercările de fuziune termonucleară? Problema e că în lipsa unei forțe care să funcționeze ca un container și ca un izolator natural al reactorului nuclear și care să conducă la spargerea barierei Coulomb pentru inițierea unei reacții de fuziune în lanț, controlată, forța necesară și pierderile de energie sunt mult mai mari decât outputul și nu se poate compensa pentru asta.

Nucleele atomice dezbrăcate de electroni nu stau de bună voie unul lângă altul, vor să fugă, forța electromagnetică generată de atomii ionizați depășește gravitația și vor să fugă, iar costul reținerii lor cu o forță alta decât gravitația, e mai mare decât câștigul de energie oferit de ciocniri.

Sigur, poți iniția eficient, o reacție de fuziune termonucleară, folosind o bombă cu fisiune în jurul unui miez, care să comprime materialul de fuzionat, dar ăsta nu e modelul de centrală termică, e modelul bombă.

Reacția de fisiune care înconjoară miezul de fuzionat poate pune presiune un timp foarte scurt, după care, după momentul în care reacția de fuziune se amorsează, energia eliberată de fisiune, în lipsa unui container gravitațional suficient de puternic, sau a oricărui container de alt tip se disipă , prin explozie, către exterior, același lucru întâmplându-se și cu combustibilul de fuziune.

Se vorbește acum de fuziunea la rece, care e ca și când o freci la rece. Era la modă termenul prin anii 70-80, când s-a umplut de șarlatani care pretindeau că au reușit ei fuziunea la rece, la fel cum pretind sumă de fakeri că au inventat mașina care merge cu apă și tot soiul de perpetuumuri mobile care violeaza fie legea a IIa, fie pe a IIIa , fie pe amândouă, ale termodinamicii. Asta e cu fiziunea la rece e mai complexă așa și pentru faptul că mulă lume nu înțelege nici în principiu care-i treaba cu fuziunea, o grămadă de șarlatani au trecut drept oameni de știință și ingineri .

Acum au redenumit „fuziunea la rece” în LENR ( low energy nuclear reacțions) și o să auziți multe despre asta. Se discută de posibilitatea de a induce prin reacții chimice fuziune nucleară. Reacțiile chimice lucrează cu energii de mii de ori sub energiile necesare pentru reacții nucleare și pare că dacă fuziunea nucleară s-ar putea iniția așa , sunt mai multe șanse de eficiență.

În limbaj de proști să extragi energie din fuziune e ca și cum ai face un soare de buzunar, dar fără elementele care caracterizează soarele, cum ar fi masa critică și un mediu izolat imens și s-o faci eficient, că Sori tot se produc prin aceleratoarele de particule, dar mor rapid și consumă energie de la soarele cel adevărat, nu produc.

Pentru următorii 50 de ani poate ar fi bine să ne concentrăm tot pe fisiune, să mai ardem ce mai e p-aci, combustibili fisili care sunt tot rezultatul fuziunii din protostele și-s cu noi de la formarea Pământului.

A ieșit textul prea lung – și îl scriu în două.

————————

• Surse bibliografice altele decat cele redate mai sus.
• https://revisionscience.com/a2-level-level-revision/physics-level-revision/particles-radiation-quantum-phenomena/quarks-antiquarks
• https://www.jaymaron.com/particles.html
• http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/sobel/Nucphys/sundetail.html
• https://web1.eng.famu.fsu.edu/~dommelen/quantum/style_a/ntme.html
• https://scied.ucar.edu/learning-zone/sun-space-weather/plasma