Marko Sever Fuzijske nuklearne elektrane

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET
FIZIČKI ODSJEK
Marko Sever
Diplomski rad
FUZIJSKE NUKLEARNE ELEKTRANE
ZAGREB, 2010.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET
FIZIČKI ODSJEK
SMJER: PROFESOR FIZIKE
MARKO SEVER
Diplomski rad
FUZIJSKE NUKLEARNE ELEKTRANE
Voditelj diplomskog rada: Prof. dr. sc. Vladimir Paar
Ocjena diplomskog rada:
Povjerenstvo: 1.
2.
3.
Datum polaganja:
Zagreb, 2010.

Zahvaljujem se roditeljima, bratu i njegovoj obitelji koji su mi uvijek bili podrška.
Zahvaljujem se supruzi što je uvijek bila uz mene.
Zahvaljujem se prijateljima na potpori tijekom svojega školovanja.

DIPLOMSKI RAD Fuzijske nuklearne elektrane
IV | S t r a n i c a
S A D R Ž A J
1. UVOD...................................................................................................................................6
2. Atomi i nuklearne reakcije – neiscrpni izvor energije......................................................... 7
2.1. Atomi i jezgre...............................................................................................................7
2.2. Nuklearne reakcije i međudjelovanja........................................................................10
2.3. Nuklearne sile i radioaktivnost..................................................................................12
2.4. Očuvanje mase i energije u nuklearnim reakcijama..................................................13
2.5. Nuklearna fuzija.........................................................................................................15
3. Fuzijske nuklearne elektrane ............................................................................................ 18
3.1. National Ignition Facility............................................................................................ 21
3.1.1. Rad NIF-a ............................................................................................................21
3.1.2. Kako laseri rade..................................................................................................23
3.1.3. Fuzijska energija .................................................................................................25
3.2. I T E R ......................................................................................................................... 28
3.2.1. Tokamak .............................................................................................................28
3.2.2. Glavni parametri.................................................................................................29
3.2.3. Glavne osobine...................................................................................................30
3.2.4. Grijanje plazme...................................................................................................33
4. Zaključak............................................................................................................................ 34

V | S t r a n i c a
5. Priprema školskoga sata ...................................................................................................35
i. Popis literature..................................................................................................................42
ii. Popis slika i ilustracija .......................................................................................................43
iii. Popis tabela....................................................................................................................... 45
iv. Popis grafova.....................................................................................................................46

6 | S t r a n i c a
1. UVOD
Fuzijski nuklearni reaktori su jako zanimljiva tema. Prvenstveno zbog razloga što oni u
realnosti mogu riješiti sav ljudski problem oko energije. Kako bih mogao kvalitetno obraditi
ovu temu, prvenstveno se trebam orijentirati na neke osnovne fizikalne pojmove i njihova
objašnjenja.
U prvom dijelu svoga diplomskoga rada osvrnut du se na atome i nuklearne reakcije.
Obradit du osnove pojmova atoma i jezgre. Nakon toga du ukratko pisati o nuklearnim
reakcijama i međudjelovanju, silama i radioaktivnosti. Na kraju ovoga kratkog presjeka fizike
dotaknut du se osnova nuklearne fuzije. Potrebna je razrada osnovnih fizikalnih pojmova i
teorija kako bih mogao krenuti u opisivanje i objašnjavanje glavne teme ovoga diplomskoga
rada.
U tredem poglavlju de biti riječi o dva eksperimenta koje su u procesu izgradnje, da bi
se mogli testirati svi zaključci o poznavanju fuzijskih procesa, te iskorištenju energije iz njih
samih. Radi se o National Ignition Facility, s kojim se krede u korištenje ovih dana,
izgrađenim u Sjedinjenim Američkim Državama. Druga ustanova je ITER koji se planira graditi
u Francuskoj pod okriljem i zajedništvom čitave znanstvene zajednice. ITER de biti prva
fuzijska nuklearna elektrana izgrađena na Zemlji. Prva, ali još uvijek samo kao testno
okruženje, kako bi se mogli bolje razumjeti procesi iskorištenja energije u fuzijskim
reakcijama.
Završetkom diplomskoga rada du se pozabaviti razradom nastavne jedinice vezane uz
temu diplomskoga rada, za koju smatram da bi mogla učenike zanimati tijekom njihovog
školovanja.

7 | S t r a n i c a
2. Atomi i nuklearne reakcije – neiscrpni izvor energije
2.1. Atomi i jezgre
Poimanje atoma u školama zna biti jako težak konceptualan problem. Zbog toga
prvenstveno du objasniti pojam atoma i njegovu strukturu.
Promjer atoma iznosi oko . U središtu atoma je atomska jezgra, koja je
mnogo manja od samoga atoma. Polumjer same jezgre iznosi . Međutim njezin
promjer skriva najvedu koncentraciju mase atoma, više od 99%. Kako odmah možemo
primijetiti da najvedi dio prostora zauzima elektronski omotač atoma, možemo ustvrditi kako
je taj isti prostor uistinu vedinski šupalj. Obzirom na veličinu elektrona i prema zakonima
kvantne fizike relativno malo tih istih sidušnih elektrona zauzimaju taj „prazan“ prostor oko
jezgre atoma.
Slika 1 Struktura atoma
Obujam jezgre je oko puta manji od obujma atoma! To možemo pokazati
kratkim izračunom:
( )
( )
( )
Premda je uopde teško zamisliti ljudskome mozgu ovakve veličine, smatram da možemo
ilustrirati odnos veličina u atomu. Ako zamislimo i povedamo atom do veličine grada
Zagreba, pokušajmo vidjeti koliki bi bio atom, a koliki elektron, u odnosima veličina.

8 | S t r a n i c a
Atomu bi se tada povedao promjer s na , a to znači puta. Isto
toliko povedajmo i promjer jezgre, . Atom bi bio velik poput grada
Zagreba, jezgra poput lopte za pilates, a elektron bi bio veličine čestice fine gline (red veličine
vedi od nano-čestice).
Kako bismo mogli dalje nastaviti proučavati atome i energiju pohranjenu u
interakcijama konstituenta moramo malo se još približiti osnovnim karakteristikama atoma,
objašnjavajudi strukturu. Atomi nekog kemijskog elementa s atomskim (rednim) brojem u
elektronskom omotaču imaju isto toliko elektrona. Elektroni, zapravo manji dio njih, oni iz
vanjskog dijela elektronskog omotača, vanjski elektroni, određuju kemijska svojstva atoma
tog elementa. Ukupni električni naboj električnog omotača je
gdje je e naboj elektrona i iznosi .
Atomske jezgre se sastoje od dvije vrste čestica – od protona s pozitivnim električkim
nabojem, , i neutrona, čestica bez električnog naboja. Broj protona u jezgri atoma je
a određivanjem ukupnog električnog naboja atoma atomskog broja :
( )
Ovime možemo zaključiti da je električni naboj atoma kao cjeline nula. Atom kao cjelina
nema naboja i zato tvari i jesu električki neutralne.
Graf 1 Stabilni nuklidi - odnos broja neutrona po broju protona

9 | S t r a n i c a
Obzirom na to da protoni i neutroni izgrađuju atomsku jezgru nazivamo ih
zajedničkim imenom, nukleoni. Ukupan broj nukleona u nekoj atomskoj jezgri nazivamo
nukleonskim ili masenim brojem i označavamo ga sa . Sam naziv „maseni broj“
upotrebljava se iz razloga što su nukleoni odgovorni za masu nekog atoma. Njihov broj
određuje atomsku masu nekog atoma.
Broj neutrona u jezgrama atoma istog elementa može biti različit. Takvi atomi istog
kemijskog elementa razlikovat de se međusobno po broju neutrona, dakle po nukleonskom
broju , a nazivamo ih izotopima. Prema tome, nukleonski broj nekog izotopa određujemo
kao zbroj broja protona i neutrona,
Jezgru nekog izotopa naznačit demo ovakvim oznakama:
- maseni ili nukleonski broj,
- znak kemijskog elementa,
- atomski ili redni broj.
Kao primjer du uzeti poznata tri izotopa vodika: vodik , deuterij i tricij
. Obilježit du ih redom
.
Možemo primijetiti da jezgre svih triju izotopa imaju po jedan proton. Jezgra vodika zapravo
je najjednostavnija atomska jezgra jer se sastoji od samo jednog protona. Jezgra deuterija
osim jednog protona sadrži i jedan neutron, a jezgra tricija uz proton ima još dva neutrona.
To možemo zaključiti iz njihova nukleonskog broja. Masa atoma deuterija je dva puta veda
od mase atoma vodika, a atomska masa tricija je tri puta veda od mase vodikova atoma.
Prirodni vodik je smjesa vodika i deuterija s udjelima 99,985% i 0,015%, a tricij se
dobiva nuklearnim reakcijama u laboratorijskim uvjetima. Tricij nije stabilan izotop. U
njegovoj se jezgri jedan neutron spontano pretvara u proton stvarajudi stabilniju nuklearnu
strukturu nove jezgre s dva protona i jednim neutronom. To je jezgra jednog izotopa helija,
, koju du označiti s . S dva protona u atomskoj jezgri, helij je drugi po redu
kemijski element u periodnom sustavu elemenata.
Izotopi istog elementa kemijski se ne razlikuju jer su im elektronski omotači praktično
jednaki. Neutroni kao čestice bez naboja ne utječu na gibanje elektrona u elektronskom
omotaču atoma.

10 | S t r a n i c a
U fizikalnom smislu, različiti izotopi istog kemijskog elementa razlikuju se po masi
atoma, kojoj bitno pridonose upravo neutroni, te po građi jezgre. Fizička svojstva atomskih
jezgara tih izotopa mogu se znatno razlikovati i poseban su predmet istraživanja u kvantnoj
fizici. Treba istaknuti da promjene u izotopnom sastavu jezgara nimalo ne utječu na
mehaničke procese u kojima, kao i u kemijskima, sudjeluju samo elektronski omotači atoma.
Važno je napomenuti da su te razlike važne za nuklearne procese atomskih jezgara.
2.2. Nuklearne reakcije i međudjelovanja
Nuklearni procesi ili nuklearne reakcije su procesi pri kojima se događaju promjene
atomskih jezgri. Takvi procesi se mogu izazvati tako da na jezgru metu naleti neka čestica,
projektil. Čestica projektil može biti proton, neutron, elektron ili neka druga jezgra. Rezultat
međudjelovanja jezgre mete i čestice projektila može promijeniti strukturu jezgre. Nukleoni
se mogu pregrupirati na drugačiji način nego u polaznoj jezgri, pa de nakon procesa dati
drugačiju jezgru. Stoga, procese kojima se izazove promjena strukture jezgre ili bilo kakva
druga promjena stanja jezgre nazivamo nuklearnim reakcijama.
Nuklearne reakcije odvijaju se u skladu s temeljnim zakonom očuvanja energije i
količine gibanja. Trebalo bi istaknuti da vrijede i neki drugi zakoni očuvanja. Prvenstveno se
to odnosi na primjer da se ne mijenja ni ukupan broj nukleona (zbroj protona i neutrona).
Ukupan električni naboj isto ostaje sačuvan. Vrijedi:
ukupan broj nukleona prije reakcije = ukupan broj nukleona poslije reakcije
i
ukupan naboj prije reakcije = ukupan naboj poslije reakcije.
Očuvanje broja nukleona i naboja u nuklearnim reakcijama pripadaju temeljnim
zakonitostima u prirodi. Sada bi bilo potrebno da razmotrim međudjelovanje u kojemu
projektil ima pozitivni električni naboj, kao proton. Tada između jezgre mete i projektila
postoji i nuklearno i električno međudjelovanje.
Električna sila između pozitivne jezgre i električki pozitivnog projektila je odbojna, a
vrijednost joj je obrnuto proporcionalna kvadratu njihove međusobne udaljenosti, gdje treba
primijetiti da je ta sila znatna na udaljenosti i daljnjim približavanjem jezgri postaje
sve veda. Djelovanje te sile između jezgre i električki nabijenih projektila naziva se
električnom barijerom.

Nuklearna sila, iako mnogo jača od električne, ima vrlo malen doseg. Ona je privlačna
i djeluje tek kad se jezgra i projektil približe na oko .
Odmah možemo primijetiti da odbojna električna sila ima vedi doseg i zato duže
vrijeme naleta jače djeluje između projektila i mete, sve dok se projektil ne približi jezgri na
oko . To je razlog što se samo projektili dovoljno velike energije uspiju približiti jezgri
meti na doseg nuklearne sile, na oko . Na toj udaljenosti počinje djelovati jaka
nuklearna sila. Rezultantna sila na toj udaljenosti je privlačna i tada može nastati nuklearna
reakcija. Za određeni projektil i svaku jezgru određene vrste, projektil mora imati najmanje
minimalnu kinetičku energiju da bi izazvao nuklearnu reakciju s tom jezgrom. Tu svakako
treba naglasiti da ako projektil nema električni naboj, kao neutron, između jezgre mete i
neutrona nema električnog odbijanja. Radi toga je neutron mnogo pogodniji projektil za
izazivanje nuklearnih procesa.
Sva međudjelovanja u prirodi mogu se svesti na četiri fundamentalna djelovanja.
Gravitacijsko, elektromagnetsko, jako i slabo međudjelovanje.
Gravitacijsko međudjelovanje je najslabije od njih. No, ono je jedino sa svojstvom da
između svake dvije ili više čestica uvijek djeluje privlačno. Kada su tijela velika poput
svemirskih, tada zbrajanjem privlačnih sila između svih čestica tih tijela nastaje vrlo snažna
ukupna privlačna sila. Zbog toga gravitacijska sila i određuje gibanje svemirskih tijela.
Elektromagnetsko međudjelovanje određuje građu elektronskih omotača u atomima
te građu elektronskih omotača i razmještaj atomskih jezgara u molekulama, biološkim
molekulama i čvrstim tijelima. Kemijski, mehanički i biološki procesi se odvijaju zbog utjecaja
elektromagnetskog međudjelovanja.
Jako nuklearno međudjelovanje postoji između nukleona u jezgri. Zbog tog se
međudjelovanja protoni i neutroni drže na okupu u sidušnoj atomskoj jezgri. To je najjače od
četiri fundamentalna međudjelovanja. Privlačna jaka sila između dva protona međusobno
udaljena stotinjak je puta jača od odbojne električne sile među njima na istoj
udaljenosti. Međutim, treba naglasiti da, za razliku od gravitacijskog i elektromagnetskog
djelovanja, nuklearno međudjelovanje ima izvanredno kratak doseg. Na udaljenosti nukleona
malo vedoj od jaka sila išdezava.
Slabo međudjelovanje je isto kratkog dosega, a mnogo je slabije od jakog
međudjelovanja. Zbog slabog međudjelovanja pri β-raspadu nastaju pretvorbe protona u
neutron i neutrona u proton.

2.3. Nuklearne sile i radioaktivnost
Jedna od glavnih zadataka nuklearne fizike je otkriti prirodu nuklearne sile. Ona mora
biti dovoljno jaka da nadvlada električnu odbojnu silu između protona u jezgri. Energija
između i je potrebna kako bi se oslobodio jedan nukleon iz jezgre. Ova vrijednost
se može usporediti s energije potrebne za ionizaciju vodika ili do potrebnih
za oslobođenje elektrona iz metala. Ovim mjerenjem, nuklearne sile su oko milijun puta jače
nego električna sila koja veže atome.
Činjenica da je energija separacije nukleona veličine nekoliko i za jezgre teške
kao olovo ( ), implicira da broj veze koja veže nukleon za nukleon ne raste kako
jezgra raste. Možemo redi da nuklearna sila je saturirana kada se nukleon nalazi u okolini
drugih nukleona. Nuklearna sila ima kratak doseg u odnosu na udaljenost između nukleona
u jezgri. Kod udaljenosti mislim na udaljenost nakon koje nuklearna sila drastično opada. Iz
ove činjenice možemo deducirati da udaljenost između nukleona je reda veličine
( ), ili . Zaključak da je nuklearna sila stvarno kratkog dosega podupire i
činjenica rezultata eksperimenta raspršenja koji nam omogudava kvantitativno mjerenje
udaljenosti.
Slika 2 Radioaktivni raspad
Na slici vidimo da produkt spontanog raspada teškog nestabilnog atoma urana može
biti alfa čestica, gama zračenje ili čestica, proton, elektron ili neutron.

Henri Becquerel otkrio je radioaktivnost 1896. godine, puno prije nego što je jezgra
bila otkrivena. Radioaktivnost – ime koje je osmislila Marie Curie – je fenomen nuklearnog
raspada. Jezgra se može raspasti kroz razne modove i kanale, npr. emitirajudi fotone ili
čestice. Različiti fizikalni zakoni mogu opisivati različite modove raspada, pa svaki mod može
imati različitu vjerojatnost događanja. Vrijeme života kolekcije radioaktivne jezgre je
konstanta s dimenzijom vremena koja određuje brzinu raspada takve jezgre. Ako je broj
nukleona prisutnih u , onda ( ) je broj nukleona koji ostaje nakon vremena , dan
jednadžbom ( ) ⁄
. Alternativni način zapisivanja ove jednadžbe je definirajudi
konstantu raspada s ⁄ , čime slijedi
( )
S izuzetkom fisijskih reakcija, tipični radioaktivni raspad uključuje jezgru (jezgru
roditelja) koja emitira česticu i nakon toga biva pretvorena u jezgru kderku. Tri različita
raspada se mogu dogoditi, nazvani , ili ovisedi o čestici koja je emitirana raspadom.
2.4. Očuvanje mase i energije u nuklearnim reakcijama
U nuklearnoj fizici česti su procesi u kojima se oslobađa znatna energija. Dobivena
energija može se iskazati relacijom:
Ta energija proporcionalna je masi tvari koja se u nju pretvorila, a koeficijent
proporcionalnosti je , tj. kvadrat brzine svjetlosti.
Zakon očuvanja energije ne vrijedi sam za sebe, kao što ne vrijedi sam za sebe ni
zakon o očuvanju mase tvari. Energija se može povedavati uz smanjenje mase tvari i obratno.
Umjesto pojedinačnih zakona očuvanja energije i očuvanja mase tvari, ovdje imamo
opdenitiji zakon o očuvanju mase i energije:
Ako je prije procesa ukupna masa bila i ukupna energija , nakon procesa ukupna masa je
i energija , onda vrijedi
Ukupna masa znači broj masa tijela koja međusobno djeluju, a ukupna energija zbroj svih
energija u promatranom sustavu. U kemijskim, biološkim i mehaničkim procesima promjena
ukupne mase tvari toliko je izvanredno malena da je zanemariva. Zato u tim procesima
praktički vrijede, svaki za sebe, i zakon očuvanja mase i zakon očuvanja energije.

Ako se slobodnih protona i slobodnih neutrona spoje u jezgru, masa tvari se
smanjuje za iznos:
( )
Gdje iščezava ta masa? Pretvara se u energiju
koja se oslobađa i prelazi u okolinu.
Graf 2 Energija vezanja po nukleonu
Da bi nastao suprotan proces, razbijanje jezgre na sastavne dijelove, protone i
neutrone, jezgri treba predati isto toliko energije. Jezgra se tada razbija na slobodnih
protona i slobodnih neutrona. Pri spajanju slobodnih nukleona u jezgru oslobađa se
energija , a pri razbijanju jezgre na slobodne nukleone toliku energiju treba i
utrošiti. Tu energiju nazivamo energijom vezanja jezgre. Smanjenje mase naziva se defekt
mase.
Dva su procesa oslobađanja energije nuklearnim reakcijama. Fisija se naziva proces
kod kojega se razbija jezgra na sastavne dijelove, točnije jedna teška atomska jezgra se cijepa
na dvije manje jezgre, a pritom se oslobađa energija. To se događa kada na jezgru naleti
neutron, jezgra ga upije i ona se gotovo trenutno cijepa na dvije jezgre. Nuklearnom fuzijom
nazivamo drugi proces u kojemu se dvije jezgre manje mase, jezgre roditelji spajaju u vedu
jezgru, jezgru kderku. Fuzija je osnovni izvor energije na Suncu i zvijezdama, gdje se upravo
događa fuzija vodika u helij.

2.5. Nuklearna fuzija
U fuzijskoj reakciji dvije lagane atomske jezgre se stapaju zajedno u jednu tešku
jezgru, kako je prikazano na slici 4. Fuzijska reakcija proizvodi veliku količinu energije koja je
u stvarnosti izvor energije Sunca i zvijezda opdenito.
Slika 3 Dvije jezgre, ovdje deuterij i tricij, stapaju se u jednu te tvore helij, neutron i veliku količinu energije
Fuzija ima glavna obilježja koja je čine atraktivnom za ekstrapolaciju energije u
bududnosti. Fuzijski proces je siguran sam po sebi. Otpad koji nede biti na teret bududim
generacijama, nema emisije stakleničkih plinova, i daje mogudnost za veliku skalu
proizvodnje energije.
Nuklearna fuzija je stvaranje atomskih jezgara. Atomska jezgra je sastavljena od
protona (p) s jednim pozitivnim nabojem i neutronom (n) skoro identične mase i bez naboja.
Jaka nuklearna sila drži te nukleone zajedno protivno odbojnim efektom protonovog naboja.
Broj negativno nabijenih elektrona koji „kruže“ oko jezgre identičan je broju protona kako bi
se balansirao protonski naboj, a gotovo čitava masa atoma se nalazi u jezgri.
Suma individualnih masa nukleona koji se nalaze u jezgri je veda od mase jezgre
atoma. To je zbog jake nuklearne sile koja drži nukleone zajedno. Jezgra se nalazi u
potencijalu manje energije nego svaki nukleon zasebno. Razlika, energija vezanja (
), varira od jednog elementa do drugoga. Zbog svih načina kako se nukleoni mogu
pakirati zajedno, kada se dvije lagane jezgre spoje u jednu težu jezgru, energija vezanja
spojene jezgre može biti veda od energije vezanja pojedinih jezgara (nalazi se u još nižem
energetskom potencijalu). Ta razlika u energijama je produkt u fuzijskim procesima. Ta
alternativa je prikazana na grafu 3.

Slična situacija se događa kada se teška jezgra raspada na lakše. Opet, energija
vezanja pojedinih jezgara može biti veda od teške jezgre iz koje je nastala, a višak energije je
produkt u fisijskim reakcijama.
Graf 3 Alternativa kod energije vezanja atoma
Možemo vidjeti na grafu ovisnost atomske mase o nuklearnoj energiji vezanja, kakva
je ovisnost kod fuzije, a kakva kod fisije. Primjedujemo da se prilikom oslobađanja energije
tijekom fuzije povedava atomska masa, a smanjuje se energija vezanja.
U Suncu i zvijezdama događaju se lančane reakcije fuzije koje pretvaraju vodik u helij.
Postoje dvije vrste lančanih reakcija, obje imaju isti efektivni rezultat, a ona koja dominira
ovisi o veličini same zvijezde. Za naše Sunce dominira protonski ciklus.
Protonski ciklus (najčešde reakcije) Ugljik - dušik - kisik ciklus
Dvostruki: p + p → D + e+
+ ν
Dvostruki: p + D → 3
He + γ
3
He + 3
He → 4
He + 2p
Ukupan rezultat: 4p → 4
He + 2e+
+ 2ν + 27 MeV
p + 12
C → 13
N + γ
13
N → 13
C + e+
+ ν
p + 13
C → 14
C + γ
p + 14
C → 15
O + γ
15
O → 15
N + e+
+ ν
p + 15
N → 12
C + 4
He
Ukupan rezultat: 4p → 4
He + 2e+
+ 2ν + 27 MeV
Tabela 1 Dvije vrste lančanih reakcija u zvijezdama: protonski ciklus i ugljik-dušik-kisik ciklus

Sveukupna učestalost reakcije je ekstremno mala ali svejedno ona pogoni svemir do
veličina zvijezda i velikih masa. Čestice se drže zajedno pomodu gravitacije dovoljno dugo da
se pokrenu reakcije. Na primjer, u jezgri Sunca temperatura seže do 10 – 15 milijuna °C.
Zajedno s ekstremnim tlakom (četvrtina bilijuna atmosfera) i gustode (osam puta od one u
zlatu) omogudavaju materiji da bude transformirana u velike količine energije.
Da bi se ostvarila fuzija na manjoj skali, na Zemlji, moraju se koristiti reakcije s vedom
vjerojatnošdu.
Procjena vrijednosti za reakciju je reaktivnost. Produkt vjerojatnosti reakcije i energije
proizvedene po reakciji. Kao što je prikazano na grafu 4, fuzijska reakcija između dva izotopa
vodika, deuterij (D) i tricij (T) ima maksimum reaktivnosti na oko 100 milijuna °C. Slijededi
najreaktivniji je D + D koji ima oko 40 puta manju reaktivnost, potom D + 3
He, izotop helija,
koji ima oko 85 puta manju reaktivnost. D + D reaktivnost uključuje još i sporedne reakcije
između D i D + D produkata reakcije, to jest T i 3
He.
Graf 4 Reaktivnost za pojedinu reakciju jezgara u fuziji
Za usporedbu, reaktivnost reakcija u zvijezdama je manja od one kod D + T.
Ta velika razlika dozvoljava fuzijskoj energiji da bude omogudena na ljudskoj skali, ali
premještanje s velikih masa koje omogudavaju gravitacijsko ograničavanje da fuzija tako
dobro funkcionira u zvijezdama znači da moramo pronadi i iskoristiti druga ograničenja za
ostvarivanje kontroliranih fuzijskih reakcija, a to ima drugačije uvjete za njihov uspjeh.

3. Fuzijske nuklearne elektrane
Današnji problem fuzijskih nuklearnih elektrana je nemogudnost održavanja
kontroliranog procesa koji bi stvarao više energije nego što je potrebno ulaganje energije u
sam proces. Zašto je fuzija najbolji izvor energije? Razlog tome je velika specifična
iskoristivost energije, neograničenost goriva, intrinzična sigurnost, bez imalo emisije ugljika.
Slika 4 Godišnja potreba goriva za 1000 MW elektrane
Kontrolirani procesi koji daju gorivo Suncu za direktno stvaranje energije na Zemlji je
stara ideja. Deuterij, kojeg ima u morskoj vodi, može davati izvor energije fuzijskim
reakcijama, a problem radioaktivnog otpada kod nuklearne fuzije je mnogo manje ozbiljniji
nego kod nuklearne fisije. Nažalost, tehnologija kontroliranih procesa fuzijskih reakcija se
pokazala teško za svladati. Srž problema nije omoguditi da se nukleoni sudaraju s dovoljno
energije kako bi svladali Coulombovu odbojnu energijsku barijeru, te da se spoje u jednu
jezgru, ved je problem osigurati da se taj proces događa u velikim brojevima. Veliki broj
nukleona bi u teoriji trebalo dovesti do energija dovoljno velikih da bi se spajali, jednostavno
zagrijavajudi ih, ali temperature potrebne da bi se ti procesi događali trebale bi biti na razini
nuklearnih energija jezgre, a ne atoma. Možemo procijeniti tu energiju na ⁄ ,
Coulumbova energija između dviju električno nabijenih nukleona udaljenih radiusom , gdje
je reda veličine . Uvrštavajudi dobivamo da je vrijednost energije .
Iznos energije je reda veličine temperature vrijednosti od koja je daleko veda nego što
bi bilo kakav mehanički kontejner mogao izdržati. Uostalom, ta temperatura je daleko veda

nego ona na kojoj atomi gube elektrone, te se materija pretvara u potpuno ionizirani plin
elektrona i nukleona, u plazmu. Iako u Maxwellovoj distribuciji postoji dovoljno čestica s
velikim brzinama da bi temperatura od bila dovoljna da proizvodi fuzijske reakcije, ipak
je još prevelika za konvencionalne mehaničke kontejnere.
Vremenska skala potrebna za fuziju plazme, kako bi dvije vrste čestica bile na
dovoljno visokoj temperaturi, iako nije potrebno da je , iznosi . Kako bi
čestice završile mnogo orbita između odbijanja iznosi , a kako bi se fuzija plazme
mogla smatrati kvazi neutralnima potrebno je vrijeme manje od .
Slika 5 Vremenska skala fizike fuzije plazme
Dva su jako različita pristupa rješavanju problema stvaranja i čuvanja vrude plazme.
Prvi pristup je inertno čuvanje, shema u kojoj su male kuglice materijala koje sadrže
nukleone pogodne za fuziju komprimirane jakom laserskom zrakom ili ionskim zrakama do
potrebnih temperatura i gustode za nuklearne reakcije. U ovom pristupu nema nikakvih
poteškoda kod čuvanja plazme u dugom periodu. Zrake se pale u pulsevima, a kuglice se
mijenjaju nakon svakog pulsa. Najvedi problemi u cijelom ovom pristupu povezani su s
razumijevanjem kako de se kuglice nukleona ponašati kada ih pulsne energetske zrake
pogode. Problemi su isto tako u konstrukciji i korištenju kuglica, te kontroliranju samih
laserskih zraka.
U drugom pristupu riječ je o magnetskom čuvanju plazme. Dodatna energija se
predaje kroz termalnu energiju apsorpcije elektromagnetskih valova, dok se plazma

kontrolira s magnetskim silama. Na ovaj način plazma se može čuvati u velikom vremenskom
periodu. Teškode koje se javljaju u ovom procesu su magnetska polja koja ne utječu na
komponentu gibanja nabijene čestice uzduž usmjerenja linije magnetskog polja, pa plazma
ima tendenciju „squirt out“ u jednom od smjerova. Kako bi se izbjegao ovaj problem, moraju
se koristiti komplicirane konfiguracije magnetskih polja. Tokamak je uređaj koji omogudava
da plazma bude kontrolirana u točno određenom prostoru. Veliki tokamak uređaji su vrlo
blizu osiguravanju samoodržavajudih reakcija.
Iako oba pristupa daju obedavajude rezultate, mi smo još jako daleko od stvaranja
fuzijskih nuklearnih reaktora koji su komercijalno isplativi.
Slika 6 Fuziji je potrebna plazma na jako visokoj temperaturi

3.1. National Ignition Facility
National Ignition Facility (NIF) je projekt Sjedinjenih Američkih Država koji pokušava
riješiti pitanje dobivanja energije iz kontroliranih termonuklearnih procesa. NIF ima 192
laserske zrake koje putuju kroz 1.500 metara dužine, od mjesta stvaranja u glavnom
oscilatoru do centra komore gdje se nalazi meta.
Slika 7 Izgled NIF-a
Kako zrake putuju kroz pojačivače NIF-a, tako se njihova energija eksponencijalno povedava.
Od početka pa do kraja, totalna energija snopova zraka raste od jednog dijela bilijuna jednog
Joula do četiri milijuna Joula, što je faktor od preko – i sve to se događa u otprilike
sekunda.
3.1.1. Rad NIF-a
Glavni oscilator generira vrlo male, niske energije laserskog pulsa. Puls može biti u
rasponu od 100-tog dijela trilijuna do 25-tog dijela bilijuna od sekunde, i ima specifičan
vremenski oblik u skladu sa zahtjevima NIF eksperimentatora. Nisko energetski puls se dijeli i
biva nošen na optičkim vlaknima do 48 modula predpojačala za početno pojačavanje i
pripremanje zraka. U predpojačalima energija se povedava za faktor od deset milijardi do
nekoliko Joula. 48 nosača od 48 predpojačala su zatim podijeljene u četiri zrake svaka za
injekciju u 192 glavnih laserskih cjevovoda.

Slika 8 Sistem laserskih zraka
Svaki snop prolazi kroz dva sustava velikih staklenih pojačala, najprije kroz pojačalo
snage, a zatim kroz glavno pojačalo. U glavnom pojačalu, posebna optička spojnica nazvana
plazmena elektroda Pockels delija (PEPC) hvata svijetlo, prisiljavajudi ga da putuje naprijed
nazad četiri puta kroz jedanaest kompleta staklenih ploča laserskih pojačala prije nego izađe
iz šupljine glavne komore pojačala. Bez ove optičke spojnice, NIF-ova glavna laserska zgrada
bi trebala biti 750 metara duža da bi se postiglo isto pojačanje.
Iz glavnog pojačala zraka prolazi kroz konačni prijelaz pojačala snage prije ulaska
velikom brzinom u komoru mete. Kako je puls energije pojačan, posebno deformirano
ogledalo i drugi uređaji osiguravaju da zrake su visoko kvalitetne, uniformne i određene
glatkode.
NIF-ova velika staklena pojačala su jedinstvena. Ostali veliki laserski sistemi koriste
seriju pojačala koji povedavaju veličinu snopa kako bi povedali njezinu energiju. NIF-ova
pojačala su sva iste veličine i koriste više od 3.000 jednometarskih ploča od posebnog
fosfatnog stakla dopiranih s atomima neodimija.
Djelid sekunde prije početnog slabog laserskog pulsa počinje život na glavnom
oscilatoru, više od 7.500 dvometarskim flash lampama, napajajudi ih s velikim
kondenzatorima koji imaju spremljenu veliku količinu električne energije, energiziraju atome
neodimija u staklu pojačala kupajudi ih u intenzivnoj bijeloj svjetlosti. Kada laserske zrake
napuste predpojačala, pojačala su ved aktivna i spremna preuzeti ih. Nakon prolaska kroz sva
pojačala, svaka NIF laserska zraka je povedana za oko 20.000 Joula energije.

Slika 9 Komora za metu
Složeni sustav posebnih ogledala u dvije deseterokatne čelične konstrukcije poznate
kao „switchyards“ izmijene paralelni linearni snop od 192 laserske zrake u sfernu
konfiguraciju kako bi te iste zrake mogle biti fokusirane u centar komore za metu. Između
svih najtvrđih konstrukcija ikada sagrađenih, kule od „switchyard“ su izgrađene da izdrže
vibracije te su čvrsto usidrene u unutrašnjost zgrade 1,2 metara debele armirane betonske
zidove. Svaka zraka prolazi kroz zadnji optički sklop koji pretvara valnu duljinu laserske zrake
od infracrvenog do ultraljubičastog, te je fokusiran kroz zadnju ledu objektiva na metu koja
se nalazi u centru same komore. Mete su smještene s preciznošdu koja se mjeri u djelidu
debljine lista papira. Sposobnost da se ostvari takva preciznost je demonstrirana s prve četiri
aktivirane zrake i s naknadnim eksperimentalnim testiranjem tijekom aktiviranja dodatnih
laserskih zraka.
3.1.2. Kako laseri rade
Laser može biti mali kao mikroskopski računalni čip ili ogroman kao NIF, koji je širok
kao tri nogometna igrališta. Jasno je da veličina nema veze s onime što čini sam laser. „Laser“
je akronim za Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (pojačanje svjetlosti
poticanjem emisije zračenja). Ako elektroni u posebnim staklima, kristalima ili plinovima
budu energizirani, oni de emitirati svjetlost fotona kao odgovor na slabi laserski puls. Fotoni
de svi biti iste valne duljine, te de biti i koherentni, što znači da su brjegovi i doline valova
svjetlosti identični. Nasuprot tome, obično vidljivo svjetlo je različite valne duljine i nije
koherentno.

Slika 10 Jednostavan primjer rada lasera
U NIF-u, kao i u drugim velikim laserima, intenzivni bljeskovi bijele svjetlosti od
divovskih flash lampa „pumpaju“ elektrone atoma u velikim pločama laserskog stakla na više
ili više „uzbuđeno“ energijsko stanje. Ali to stanje je tranzicijsko stanje koje traje samo oko
sekundi. Mali puls laserskog svjetla „sinkroniziran“ na energiju uzbuđenih elektrona
usmjeren je kroz staklene ploče. Ovaj laserski puls stimulira elektrone da padnu na njihovo
stanje manje energije, ili „osnovno“ stanje, te emitira laserski foton točno iste valne duljine.
Sustav ogledala na oba kraja stakla laserskog pojačala uzrokuje da fotoni putuju
naprijed nazad, stimulirajudi više elektrona da padnu na stanje manje energije i emitiraju
laserske fotone. Ovaj proces rezultira „pojačanjem“ ili produkcijom velikog broja fotona iste
valne duljine i usmjerenja. U NIF-u ovakvo pojačanje proizvodi fotona. Kako fotoni
nalete jedni na druge unutar laserskog pojačala, oni vibriraju koherentno s istom
frekvencijom i usmjerenjem. U suštini, fotoni se „kloniraju“ stvarajudi savršenu kopiju prvog
fotona. Koherencija izaziva svjetlost da svijetli u zraci koja je ekstremno sjajna i ravna,
poznata svima koji su ikada koristili laserski pokazivač.
Početni slabi puls je do sada pojačan i sadrži enormno povedanu energiju. U malim
laserima djelomično reflektirajude ogledalo na jednom kraju medija napravljeno je da nešto
od pojačane svjetlosti, sada laserske svjetlosti, prolazi. U NIF-u specijalni optički preklopnici
zadržavaju laserski puls manje energije u glavnom pojačalu za četiri prolaza naprijed nazad
kroz staklene ploče lasera. Tek tada su laserske zrake puštene izvan glavnog pojačala da
nastave put prema komori mete. Ovaj sistem stakla, ogledala i ostale specijalne optike, je
poznat kao šupljina laserskog pojačala. Precizni dizajn komponenti pojačala dozvoljavaju
znanstvenicima da kontroliraju koje de energije laserska zraka biti proizvedena. U NIF-u serija
pojačala povedava energiju inicijalnog slabog pulsa svjetlosti s više od puta kako bi se
stvorile 192 visoko energizirane, usko fokusirane laserske zrake.

1. Struja visoke voltaže djeluje na kvarcnu flash
cijev da emitira intenzivni snop svjetlosti, uzbuđujudi
neke od atoma kristala rubina na više energijske
nivoe.
2. Na specifičnom energijskom nivou neki atomi
emitiraju česticu svjetlosti nazvanu foton. U početku
fotoni su emitirani u svim smjerovima. Fotoni od
jednog atoma stimuliraju emisiju fotona drugog
atoma i intenzitet svjetlosti je munjevito pojačan.
3. Ogledala kod svakog kraja reflektiraju fotone
naprijed nazad, nastavljajudi ovaj proces
stimulirajudi emisiju i amplifikaciju.
4. Fotoni izlaze kroz polupropusno srebrno
ogledalo na jednom kraju. To je laserska svjetlost.
Slika 11 Primjer jednostavnog lasera
3.1.3. Fuzijska energija
Kako je najvažniji rezultat cijelog NIF-a kontrolirana fuzijska energija, pokušat du
ukratko objasniti što je cilj stvaranja ovakvog ogromnog laserskog sustava visokih energija.
192 laserska snopa u NIF-u de replicirati ekstremne uvjete potrebne za stvaranje ne
samo fuzijskog paljenja i gorenja, nego ved i energijsku korist – dvije glavne prekretnice u

znanstvenom istraživanju fuzijske energije kao izvora elektriciteta. Ako bude uspješan, NIF de
biti prva institucija koja de demonstrirati oba fenomena u laboratorijskim uvjetima.
Otkrivajudi minimalni unos energije potreban za start fuzijskih procesa je kritičan za
određivanje održivosti inercijalne fuzijske energije. Stoga NIF može proizvesti bazu za
evaluaciju bududih odluka oko fuzijske energije u razvoju novih uređaja i programa.
Slika 12 Minijaturna "zvijezda" kreirana u komori mete Nova lasera (NIF-ov prethodnik)
NIF je dizajniran da producira fuzijsko paljenje i stvaranje energije koristedi tehniku
znanu kao inercijska ograničena fuzija (na slici 15 možemo vidjeti rezultat ove tehnike kod
stvaranja „zvijezde“ u komori mete Nova lasera, kada je snage udarilo u
promjera kapsulu mete koja je sadržavala deuterij-tricij gorivo). NIF-ovi laseri
visokog intenziteta, fokusirani na mali zlatni cilindar zvan „hohlraum“, generirati de tuš X
zraka koje de komprimirati malu ljusku ispunjenu s deuterijem i tricijem na puta gustode
olova. U ovim rezultirajudim uvjetima – temperatura veda više od stupnjeva
Celzijusa i tlakom puta vedim od Zemljine atmosfere – centar goriva de se zapaliti i
dogodit de se termonuklearno gorenje koje de se brzo raširiti kroz komprimirano gorivo,
oslobađajudi deset do sto puta više energije nego što je uneseno u eksperiment putem
lasera. U fuzijskoj nuklearnoj elektrani toplina od fuzijske reakcije se koristi da pokrede
generatore parne turbine kako bi proizveli struju.

Slika 13 Komora za metu
NIF nede modi stvarati struju zbog razloga koji se opisuju u stvaranju inercijsko
fuzijske nuklearne elektrane (potrebno je da pulsovi energije budu učestali, a pritom da se
stvorena energija koristi za grijanje rashladnog sredstva, kasnije više objašnjenom kod ITER-
a). NIF-ovi de eksperimenti omoguditi korak bliže fuzijskoj energiji da bude valjan nelimitiran
izvor energije zbog demonstracije fuzijskog paljenja, gorenja i energijske koristi u
laboratorijskim uvjetima.

3.2. I T E R
ITER je u početku bio akronim za International Thermonuclear Experimental Reactor,
ali je napušten zbog riječi termonuklearan, pogotovo u vezi s eksperimentalan. Isto tako riječ
iter ima svoje značenje u latinskome što označava putovanje, smjer te to dvojako značenje
pokazuje ulogu ITER-a kod iskorištenja nuklearne fuzije kao izvora energije.
ITER je međunarodni istraživački i razvojni projekt koji za cilj ima znanstveno i
tehničko rješenje za iskoristivost fuzijske energije. Partneri u projektu su Europska unija (na
čelu s EURATOM), Japan, Narodna Republika Kina, Indija, Republika Korea, Rusija i Sjedinjene
Američke Države. ITER de biti sagrađen u Europi, u mjestu Cadarache na jugu Francuske.
ITER uređaj je baziran na tokamak konceptu u kojem je vrudi plin zatvoren u komori
torusnog oblika koristedi magnetsko polje. Plin se zagrijava na temperaturu preko 100
milijuna °C i proizvodit de 500 MW snage koristedi fuziju.
Slika 14 Izgled ITER-a
3.2.1. Tokamak
Najuspješniji i najviše obedavajudi kontrolirani fuzijski uređaj je znan kao tokamak.
Sama riječ tokamak je akronim proizašao iz ruskih riječi TOroid-KAmera-MAgnit-Katushka,
koje ima značenje „toroidalna komora i magnetska zavojnica“. Konfiguracija, koja izgledom
podsjeda na američku krafnu (donut), je primarno karakterizirana s velikom strujom do

nekoliko milijuna ampera, koja teče kroz plazmu. Plazma se grije na temperature iznad
stotinu milijuna stupnjeva Celzijusa (mnogo toplije od površine Sunca) koje se postižu s
visoko energijskim čestičnim zrakama ili s radio frekvencijskim valovima.
Slika 15 Unutrašnjost tokamaka na Princeton-u TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor)
3.2.2. Glavni parametri
Nominalni parametri ITER-a koriste energiju induktivne struje koji su prikazani u
tabeli 2. Ovi parametri slijede nakon sistematskog modeliranja zajedno s ograničenjima
tehnologije koja bi se mogla koristiti i od predikcija koje se mogu napraviti iz fizike. Ti
parametri opisuju samo jedan operativan način kako bi ITER mogao funkcionirati, ali on
može raditi u velikom spektru operativnih načina.
Jedinice
Radijus glavne plazme 6.2 m
Radijus manje plazme 2.0 m
Volumen plazme 840 m3
Struja plazme 15.0 MA
Toroidalno polje na osi 5.3 T
Snaga fuzije 500 MW
Vrh ravnog izgaranja >400 s
Pojačanje snage >10
Tabela 2 Nominalni parametri ITER-a

Fizikalne pretpostavke na kojima se dizajnira ITER i njegova učinkovitost su definirane
i razvijene od strane Joint Central Team (sada International Team), primarno kroz svoje
fizikalne sekcije zajedno s fuzijskim fizičarima iz svih zemalja sastavnica. Fizika ITER-a je
bazirana na podatcima trenutnih eksperimenata tokamaka, fizikalnih modela za različite
procese u plazmi i numeričkih kodova ekstrapoliranih za učinkovitost plazme za skalu ITER-a i
njegovih parametara. Da bi sve informacije i znanje bilo najnovije, čitava znanstvena
zajednica koja se bavi fuzijom je koordinirana sa svojim znanjima kroz International Tokamak
Physics Activity (ITPA).
Bazirano na svom tom poslu i znanju su nastale pretpostavke o parametrima plazme:
i. plazma de se nalaziti u „ELMy H-modu“, tj. s rubno lokaliziranim nisko
amplitudinalnim mhd modovima i u „visoko ograničenom“ režimu vidljivim u
dosadašnjim eksperimentima;
ii. plazma de raditi u dobro kontroliranoj konfiguraciji divertora (komponenta
uređaja koja se suočava s plazmom).
Bazni fizikalni elementi ITER-ove učinkovitosti plazme su bili uspješno testirani u
današnjim eksperimentima. Ipak, integrirana simulacija potpune ITER-ove plazme nije
moguda u današnjim tokamakovima. Izbor parametara plazme, da bi zadovoljavala gornje
ciljeve i uvjete, ovisi o operativnom prostoru uvjetovanom neodređenošdu današnjeg
ekstrapoliranog znanja.
Sumirano, te predikcije pokazuju da uređaj čija je izlazna fuzijska snaga je
minimalne veličine razumnih margina koje omoguduju proizvodnju energije. Takav uređaj
zadovoljava tehničke ciljeve i ima potrebnu fleksibilnost da sadrži slučajnosti.
3.2.3. Glavne osobine
ITER-ovi supervodljivi magneti drže i kontroliraju reaktivnu plazmu i induciraju
električnu struju kroz plazmu.
Energija koja se generira u reakcijama je apsorbirana komponentama koje su
obložene unutar površine komore, to jest omotač, divertor i ulazni utikači. Te komponente
sadrže čistu plazmu, griju i dijagnoziraju plazmu i nose testne dijelove za snagu reaktora
važnu za razvoj omotača. Nakon operacije s DT-om, unutarnje komponente komore postaju
radioaktivne i trebaju se daljinski održavati.

Slika 16 ITER – osobine uređaja
Biooklop okružuje magnete i komoru. Ta konkretna struktura drži dozu radijacije na
nivou da bi se stopirala aktivacija okružujudih uređaja te dozvoljava zaposlenicima
dostupnost uređajima ubrzo nakon što tokamak završi s radom. Biooklop je integralni dio
zgrade tokamaka koja među ostalim zgradama sadrži sisteme kao što su opskrba energijom i
hlađenje.
Kriostat je izgrađen unutar biooklopa i drži se u vakuumu. Ta činjenica uz termalne
oklope minimizira prodor topline do sistema magneta od toplih komponenti i okoline.
Sve komponente i sistemi moraju biti sastavljeni i testirani prije početka rada ITER-a.
Slika 17 Tipične dimenzije ITER-ove plazme

Plazma ITER-a veličine je opsežno izolirana od okružujudeg materijala
kontrolirajudi njezin položaj unutar specijalno oblikovanih magnetskih polja. Na taj način se
osigurava da čestice plazme koje udare u okružujudi materijal su niske energije i da udaraju
toplinski tolerantne komponente.
Slika 18 ITER-ovi super vodljivi magnetski sistem
ITER-ovi supervodljivi magnetski sistem se sastoji od 18 torodijalnih zavojnica (TF), 6
polodijalnih zavojnica (PF), centralni solonoid (CS), zavojnice za ispravljanje i pripadajudu
strukturu. Donje PF zavojnice su dizajnirane s opširnim zavojima i dodatkom za sigurnost
struje da bi se izbjegla potreba za mijenjanjem u slučaju lokalnog oštedenja u jednoj od
klizedih upijača zavojnica. Supervodljive zavojnice za ispravljanje u obliku sedla su stavljene
oko uređaja izvan TF-a, dok se magneti koriste da izravnaju pogreške u polju uzrokovane
proizvodnim netočnostima ili zbog odstupanja tijekom spajanja magnetskih zavojnica, isto
tako i za kontrolu oblika otpornog zida nestabilnosti plazme.
Sve zavojnice se hlade sa superkritičnim tokom helija očuvanog s kriogen
cirkulacijskim pumpama.

Tokamak komora i supervodljivi magneti su smješteni unutar termičkog oklopa
kriostata da bi se očuvale kriogenske temperature potrebne za supervodljivost.
3.2.4. Grijanje plazme
Kombinacija radio frekvencija kod ionskog ciklotrona (IC), elektronskog ciklotrona
(EC) i nižih hibrida (LH) modova rezonantnih frekvencija nabijenih čestica plazme te
negativni ioni koriste se za grijanje plazme i pogon strujanja. Svaki od navedenih ima svoje
točne vrijednosti. Najbolja mješavina sistema za grijanje trebati de se pronadi za vrijeme
ITER-ovog funkcioniranja.
Inicijalna postava de koristiti dvije neutralne zrake i elektronske i ionske ciklotronske
sisteme, ali radiofrekvencijski sistemi su dizajnirani u izmjenjivim modularnim veličinama
( ) da bi se isprobale razne kombinacije. Te tri neutralne zrake mogu biti
smještene na uređaju. Snaga grijanja u prekoračenju od je dostižna u ovim
uvjetima.
NB EC IC LH
Snaga na plazmu (MW/jedinici) 16.3 20 20 20
Unos snage (MW/jedinici) 48 60 50 48
Struja/jedinici (A) 40 - - -
Energija iona (MeV) 1.0 - - -
Frekvencija (Hz) - 170 G 40 - 55 M 5 G
“Efikasnost” (%) 34 33 40 42
“Efikasnost cijevi” (%) -
40 (50 s
oporavkom
energije)
60 60
Tabela 3 Performanse parametara grijanja

4. Zaključak
Ljudskoj populaciji de u bududnosti biti potrebne sve vede količine energije. Najbolji
put k ostvarivanju ciljeva da civilizacija više ne bude ovisna o energentima jest stvaranje
fisijskih i fuzijskih elektrana, te solarnih elektrana. Ovi izvori energije su jedini izvori energije
koji su u mogudnosti zadovoljiti zemaljske potrebe za energijom, za nadolazeda stoljeda i
dalje, bez negativnog utjecaja na prirodu koje stvara fosilna goriva.
U fuzijskim reakcijama „leži“ velika količina energije, najmanje je opasna za prirodu i
ljudski razvoj, te omogudava stvaranje velike količine energije. Problem u ostvarivanju
blagodati stvaranja fuzijske energije jest tehnički ostvariti sve predispozicije i uvjete za
stvaranje više energije iz fuzijskih reakcija nego što mi moramo uložiti energije u sustav da bi
on funkcionirao. Bududnost dolazi, tehnologija napreduje i jednoga dana de ljudi imati,
usudio bih se redi, beskonačni izvor energije za svoje civilizacijske potrebe.
Jednostavno fuzijsko gorivo, teški izotopi vodika (deuterij i tricij), stvaramo iz vode
koja je relativno nepresušni izvor (jedan u 6.500 atoma na Zemlji je atom deuterija, te se
nalaze na cijelom svijetu). Jedna litra morske vode bi mogla proizvesti jednaku količinu
energiju kao 300 litara benzina, dok gorivo iz 50 čaša vode sadrži količinu energije
ekvivalentnu dvije tone ugljena.
Isto tako fuzijska nuklearna elektrana ne bi proizvodila nikakve plinove koji utječu na
promjenu klime, te mnogo manje količine radioaktivnih nusprodukata kao današnje
nuklearne elektrane. Također ne bi bilo opasnosti za odbjegle reakcije ili topljenje jezgre kao
što smo imali primjere u sadašnjim nuklearnim elektranama.
Zaključujem da su fuzijske nuklearne elektrane bududnost izvora energije za
čovječanstvo. Broj ljudi na Zemlji raste velikim brojem, ali i njihova želja za korištenjem
električne energije. Kako bi se moglo osigurati dovoljno električne energije za sav potencijal
njezinog korištenja, trebamo više ulagati u razvoj novih tehnologija koje de nam omoguditi
korištenje, u bližoj bududnosti, ovaj nepresušni izvor energije.

5. Priprema školskoga sata
Tijekom pisanja ovog diplomskog rada uvidjela se mogudnost pisanja pripreme
školskog sata za dvije nastavne jedinice. Kako nisam želio da se propusti niti jedna, tako sam
odlučio u sam diplomski rad uvrstiti dvije nastavne jedinice. Jedna je o samoj atomskoj jezgri,
a druga je o fuzijskim uređajima. Obje nastavne jedinice de biti razrađene za završni razred
četverogodišnjih škola koje u programu imaju fiziku.

NASTAVNA JEDINICA: Atomska jezgra
ŠKOLA srednja škola – četverogodišnji program fizike Razred Datum
MENTOR
4.
STUDENT Marko Sever
NASTAVNI PREDMET Fizika
NASTAVNA JEDINICA Atomska jezgra
ZADACI
OBRAZOVNI (kognitivni, spoznajni)
 Uvesti pojam atomske jezgre
ODGOJNI (afektivni, doživljajni)
 Razvijati ispravno stajalište o istraživanju
FUNKCIONALNI (psihomotorni, djelatni)
 Razvijati stečena znanja
 Razvijati misaone sposobnosti analize i sinteze
 Razvijati sposobnost prijelaza konkretnog mišljenja na apstraktnu razinu
A R T I K U L A C I J A SA T A
UVODNI DIO
U uvodnom dijelu dotaknut du se što učenici znaju o atomskim jezgrama,
konstituentima atomske jezgre i sila djelovanja.
GLAVNI DIO
Učenici sami dolaze do zaključka kako atom izgleda u planetarnom
modelu. Uvodim Rutherfordov pokus koji im pobliže daje do znanja da su
na dobrom tragu kvantifikacije modela atoma. Pojašnjavajudi što je
pogrešno kod planetarnog modela, polako uvodim Bohrov model atoma.
Na ovaj način se uvodi pojam diskretnih stanja i kvantna mehanika. Na
kraju im dajem do znanja da niti ovaj model atoma ne objašnjava fizikalni
izgled atoma do kojega se dolazi pokusima i modernom fizikom.
ZAVRŠNI DIO
Provjera stečenog znanja o atomskoj jezgri interaktivnim dijalogom.
OBLICI RADA
1. Frontalni
2. Individualni
3. Skupni
4. Rad u parovima
5. Kombinirani
NASTAVNE METODE
1. Metoda demonstracije
2. Metoda praktičnih radova
3. Metoda crtanja
4. Metoda pisanja
5. Met. čitanja i rada na
tekstu
6. Metoda razgovora
7. Metoda usmenog
izlaganja
8. Eksperimentalna
9. Simulacija
10. Učenički seminari
11. Pedagoška radionica
KORELACIJA S DRUGIM
PREDMETIMA
Kemija
NASTAVNA POMAGALA I
SREDSTVA
Kompjuter, projektor

TIJEK IZVOĐENJA NASTAVE
N: Poimanje atoma u školama zna biti jako težak konceptualan problem. Zbog toga
smatram da je jako bitno potrošiti dovoljno vremena kako bi se koncept osnovnog
građevnog materijala svijeta koji nas okružuje objasnio učenicima.
Kako izgleda atom, od čega je građen i koji mu je promjer?
U: Atom je građen od jezgre i elektrona koji kruže oko same jezgre atoma. Jezgra
se sastoji od protona i neutrona, a promjer atoma je reda veličine . Jako podsjeda na
planetarni model, tj. elektroni se gibaju kao planeti oko zvijezda.
N: Promjer atoma iznosi oko . U središtu atoma je atomska jezgra, koja je
mnogo manja od samoga atoma. Polumjer same jezgre iznosi . Međutim, njezin
promjer skriva najvedu koncentraciju mase atoma, više od 99%. Kako odmah možemo
primijetiti da najvedi dio prostora zauzima elektronski omotač atoma, možemo ustvrditi kako
je taj isti prostor uistinu vedinski šupalj.
Kako bi izračunali obujam jezgre atoma, tj. odnos veličina obujma veličine atoma i
jezgre atoma?
U: Volumen se računa , gdje trebamo uvrstiti veličinu radijusa jezgre
atoma, te samoga atoma i odrediti njihov odnos.
N: Obujam jezgre je oko puta manji od obujma atoma! To možemo pokazati
kratkim izračunom:
( )
( )
( )
Premda je uopde teško zamisliti ljudskome mozgu ovakve veličine, smatram da možemo
ilustrirati odnos veličina u atomu. Ako zamislimo i povedamo atom do veličine grada
Zagreba, pokušajmo vidjeti koliki bi bio atom, a koliki elektron, u odnosima veličina.
Atomu bi se tada povedao promjer s na , a to znači puta. Isto
toliko povedajmo i promjer jezgre, . Atom bi bio velik poput grada
Zagreba, jezgra poput lopte za pilates, a elektron bi bio veličine čestice fine gline (red veličine
vedi od nano-čestice).

N: Da li netko zna kako bismo mogli dokazati da se atom sastoji od jezgre atoma i
elektronskog omotača? Da li vam pada na pamet ikakav pokus kojeg bi mogli raditi da
pokažemo i dokažemo strukturu atoma?
U: Mogli bi pokušati s pokusom sudara. Ako uzmemo neku tešku jezgru i gađamo
je s lakšom mogli bismo pokazati da postoji jezgra atoma.
N: Na ovakvu ideju je došao i Ernest Rutherford 1909. godine kada je napravio svoj
poznati eksperiment s tankim listidima zlata. Tada je on odlučio njih gađati s alfa česticama.
Ono što je ubrzo uvidio jest da se neki od tih alfa čestica odbijaju pod raznim kutovima, pa
neki i potpuno nazad istim pravcem od kuda su stigli. Tada je došao do zaključka da mora
postojati čvrsta teška jezgra u središtu atoma, a atoma je prazan prostor.
Problem koji ovaj model nije objašnjavao jest zašto kod eksperimenata s električnim
izbojima kroz razne plinove manjeg tlaka u staklenim cilindrima pokazuju da atomi emitiraju
svjetlost samo određene diskretne frekvencije. Što mislite zašto se to događa?
U: Zato što elektroni koji se gibaju oko omotača ne kruže na bilo kojim
udaljenostima od jezgre atoma, ved samo na određenim diskretnim udaljenostima. Kako smo
u kemiji učili postoje točno određene orbite elektrona u atomu.
N: Niels Bohr je 1913. predstavio svoju ideju modela atoma. Elektroni se gibaju samo po
određenim orbitama, diskretnim udaljenostima dobro definiranima, po kojima se nalaze
elektroni. Elektroni pri prelasku iz jedne orbite u drugu gube ili primaju diskretno određenu
količinu energije koja se određuje Planckovom relacijom . Frekvencija
radijacije emitirane orbite perioda je ista kao i u klasičnoj fizici i ona iznosi .
Naravno da ne bude sve jednostavno, ovaj model ne objašnjava kako u stvarnosti
atom izgleda. Ono što je važno kod Bohrovog modela atoma jest da se zakoni klasične
mehanike mogu aplicirati na gibanje elektrona oko jezgre, u posebnim uvjetima, tako da je
to razlog zašto se još uvijek danas koristi ovakav model atoma. Drugi razlog jest da pravilno
opisivanje modela atoma sadrži kvantnu mehaniku koju teško možemo objasniti bez
uvođenja kompleksnih matematičkih modela.

NASTAVNA JEDINICA: Fuzijski uređaji
ŠKOLA srednja škola – četverogodišnji program fizike Razred Datum
MENTOR
4.
STUDENT Marko Sever
NASTAVNI PREDMET Fizika
NASTAVNA JEDINICA Fuzijski uređaji
ZADACI
OBRAZOVNI (kognitivni, spoznajni)
 Ponoviti znanje o atomskoj jezgri
 Ponoviti znanje o fuzijskoj energiji
ODGOJNI (afektivni, doživljajni)
 Razvijati ispravno stajalište prema istraživanju
 Razvijati preciznost u mjerenju
FUNKCIONALNI (psihomotorni, djelatni)
 Razvijati misaone sposobnosti analize i sinteze
 Razvijati sposobnost prijelaza konkretnog mišljenja na apstraktnu razinu
A R T I K U L A C I J A SA T A
UVODNI DIO
U uvodnom dijelu du provjeriti znanje učenika o temeljnim pojmovima atoma,
jezgre i energije.
GLAVNI DIO
Raspravljat demo o fuzijskim nuklearnim postrojenjima koja bi u bududnosti
mogla doprinijeti rješavanju civilizacijskog problema dostupnosti električne
energije. Uvest du im pojam kontroliranih uvjeta fuzije, te na što sve trebamo
paziti, u fizikalnim procesima, da bismo mogli ostvariti kontroliranu fuziju.
ZAVRŠNI DIO
Rasprava o fuzijskoj energiji i njezinom značaju za budude korištenje električne
energije.
OBLICI RADA
6. Frontalni
7. Individualni
8. Skupni
9. Rad u parovima
10. Kombinirani
NASTAVNE METODE
12. Metoda demonstracije
13. Metoda praktičnih radova
14. Metoda crtanja
15. Metoda pisanja
16. Met. čitanja i rada na tekstu
17. Metoda razgovora
18. Metoda usmenog izlaganja
19. Eksperimentalna
20. Simulacija
21. Učenički seminari
22. Pedagoška radionica
KORELACIJA S DRUGIM
PREDMETIMA
NASTAVNA POMAGALA I
SREDSTVA
Kompjuter, projektor

TIJEK IZVOĐENJA NASTAVE
N: Na proteklim satovima učili ste o atomu, njegovoj strukturi, međudjelovanju atoma i
energiji. Zato bih danas malo s vama razgovarao o mogudnostima koje nam donosi fuzijska
energija.
Današnji problem fuzijskih nuklearnih elektrana je nemogudnost održavanja
kontroliranog procesa koji bi stvarao više energije nego što je potrebno uložiti energije u sam
proces. Zašto je fuzija najbolji izvor energije?
U: Zato što možemo dobiti velike količine energije iz fuzije. Sigurnost fuzijskih
elektrana je mnogo bolja nego današnjih fisijskih.
N: Na dobrom ste putu. Razlog tome je velika specifična iskoristivost energije,
neograničenost goriva, intrinzična sigurnost, bez imalo emisije ugljika.
Kontrolirani procesi koji daju gorivo Suncu za direktno stvaranje energije na Zemlji je
stara ideja. Deuterij, kojeg ima u morskoj vodi, može davati izvor energije fuzijskim
reakcijama, a problem radioaktivnog otpada kod nuklearne fuzije je mnogo manje ozbiljan
nego kod nuklearne fisije. Nažalost, tehnologija kontroliranih procesa fuzijskih reakcija se
pokazala teška za svladati. Srž problema nije omoguditi da se nukleoni sudaraju s dovoljno
energije kako bi svladali Coulombovu odbojnu energijsku barijeru, te da se spoje u jednu
jezgru, ved je problem osigurati da se taj proces događa u velikim brojevima. Veliki broj
nukleona bi u teoriji trebalo dovesti do energija dovoljno velikih da bi se spajali, jednostavno
zagrijavajudi ih, ali temperature potrebne da bi se ti procesi događali trebale bi biti na razini
nuklearnih energija jezgre, a ne atoma. Probajte procijeniti kolika bi bila ta energija?
U: Možemo procijeniti tu energiju na ⁄ , Coulumbova energija
između dviju električno nabijenih nukleona udaljenih radiusom , gdje je reda veličine
. Uvrštavajudi dobivamo da je vrijednost energije .
N: S čime možemo procijeniti ovaj iznos energije? Da li možemo usporediti energiju s
temperaturom i zašto?
U: Možemo uspoređivati energiju s temperaturom jer su one ovisne jedna o
drugoj. Viša temperatura znači vedu kinetičku energiju čestica, što je dakako usko vezano uz
energiju. Iznos energije je reda veličine temperature vrijednosti od koja je daleko veda
nego što bi bilo kakav mehanički kontejner mogao izdržati.

N: Ta temperatura je daleko veda nego ona na kojoj atomi gube elektrone, te se materija
pretvara u potpuno ionizirani plin elektrona i nukleona, u plazmu. Iako u Maxwellovoj
distribuciji postoji dovoljno čestica s velikim brzinama da bi temperatura od bila
dovoljna da proizvodi fuzijske reakcije, ipak je još prevelika za konvencionalne mehaničke
kontejnere.
Vremenska skala potrebna za fuziju plazme, kako bi dvije vrste čestica bile na
dovoljno visokoj temperaturi, iako nije potrebno da je , iznosi . Kako bi
čestice završile mnogo orbita između odbijanja iznosi , a kako bi se fuzija plazme
mogla smatrati kvazi neutralnima potrebno je vrijeme manje od .
Da li bismo mogli zaključiti neki od pristupa kako bismo mogli riješiti ovaj problem
kod stvaranja elektrane (kontroliranih uvjeta fuzije)? Da li postoji nešto čime možemo
kontrolirati predaju energije i tlak u točno određenim pulsevima?
U: Smatram da bi korištenje lasera bila jedna od mogudnosti kako stvoriti
kontrolirane uvjete za stvaranje fuzijskih reakcija.
N: Dva su jako različita pristupa rješavanju problema stvaranja i čuvanja vrude plazme.
Prvi pristup je inertno čuvanje, shema u kojoj su male kuglice materijala koje sadrže
nukleone pogodne za fuziju komprimirane jakom laserskom zrakom ili ionskim zrakama do
potrebnih temperatura i gustode za nuklearne reakcije. U ovom pristupu nema nikakvih
poteškoda kod čuvanja plazme u dugom periodu. Zrake se pale u pulsevima, a kuglice se
mijenjaju nakon svakog pulsa. Najvedi problemi u cijelom ovom pristupu povezani su s
razumijevanjem kako de se kuglice nukleona ponašati kada ih pulsne energetske zrake
pogode. Problemi su isto tako u konstrukciji i korištenju kuglica, te kontroliranju samih
laserskih zraka.
U drugom pristupu riječ je o magnetskom čuvanju plazme. Dodatna energija se
predaje kroz termalnu energiju apsorpcije elektromagnetskih valova, dok se plazma
kontrolira s magnetskim silama. Na ovaj način plazma se može čuvati u velikom vremenskom
periodu. Teškode koje se javljaju u ovom procesu su magnetska polja koja ne utječu na
komponentu gibanja nabijene čestice uzduž usmjerenja linije magnetskog polja, pa plazma
ima tendenciju „squirt out“ u jednom od smjerova. Kako bi se izbjegao ovaj problem, moraju
se koristiti komplicirane konfiguracije magnetskih polja. Tokamak je uređaj koji omogudava
da plazma bude kontrolirana u točno određenom prostoru. Veliki tokamak uređaji su vrlo
blizu osiguravanju samoodržavajudih reakcija.

i. Popis literature
1. „Fizika – valovi i čestice: Atomi i atomske jezgre“; Dr. Vladimir Paar, Školska
knjiga, Zagreb, 1991.
2. „Energy from heaven and earth“; Edward Teller, W.H. Freeman and company,
San Francisco, 1979.
3. „Physics – for scientists and engineers with modern physics“; Paul M.
Fishbane, Stephen G. Gasiorowicz, Stephen T. Thorton, Pearson Education
International
4. „National Ignition Facility: Ignition and Beyond“; William H. Goldstein and
Edward I. Moses, Lawrence Livermore National Laboratory, 29.8.2008.,
brijuniconference.irb.hr
5. „Magnetically Confined Thermonuclear Grade Plasmas“; K. Lackner, Max-
Planck Institut für Plasmaphysik, 1.9.2004., brijuniconference.irb.hr
6. www.iter.org
7. lasers.llnl.gov
8. ippex.pppl.gov/fusion
9. www.euronuclear.org

ii. Popis slika i ilustracija
Slika 1 Struktura atoma..............................................................................................................7
Slika 2 Radioaktivni raspad.......................................................................................................12
Slika 4 Dvije jezgre, ovdje deuterij i tricij, stapaju se u jednu te tvore helij, neutron i veliku
količinu energije ....................................................................................................................... 15
Slika 7 Godišnja potreba goriva za 1000 MW elektrane.......................................................... 18
Slika 8 Vremenska skala fizike fuzije plazme............................................................................19
Slika 9 Fuziji je potrebna plazma na jako visokoj temperaturi.................................................20
Slika 10 Izgled NIF-a..................................................................................................................21
Slika 11 Sistem laserskih zraka .................................................................................................22
Slika 12 Komora za metu..........................................................................................................23
Slika 13 Jednostavan primjer rada lasera.................................................................................24
Slika 14 Primjer jednostavnog lasera ....................................................................................... 25
Slika 15 Minijaturna "zvijezda" kreirana u komori mete Nova lasera (NIF-ov prethodnik).....26
Slika 16 Komora za metu..........................................................................................................27
Slika 17 Izgled ITER-a................................................................................................................28
Slika 18 Unutrašnjost tokamaka na Princeton-u TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) ..........29

Slika 19 ITER – osobine uređaja ............................................................................................... 31
Slika 20 Tipične dimenzije ITER-ove plazme.............................................................................31
Slika 21 ITER-ovi super vodljivi magnetski sistem....................................................................32

iii. Popis tabela
Tabela 1 Dvije vrste lančanih reakcija u zvijezdama: protonski ciklus i ugljik-dušik-kisik ciklus
..................................................................................................................................................16
Tabela 2 Nominalni parametri ITER-a ......................................................................................29
Tabela 3 Performanse parametara grijanja .............................................................................33

iv. Popis grafova
Graf 1 Stabilni nuklidi - odnos broja neutrona po broju protona ..............................................8
Graf 2 Energija vezanja po nukleonu ....................................................................................... 14
Graf 3 Alternativa kod energije vezanja atoma .......................................................................16
Graf 4 Reaktivnost za pojedinu reakciju jezgara u fuziji .......................................................... 17

Marko Sever Fuzijske nuklearne elektrane

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Marko Sever Fuzijske nuklearne elektrane

Similar to Marko Sever Fuzijske nuklearne elektrane (12)

Marko Sever Fuzijske nuklearne elektrane