Termotuumareaktsioon

Termotuumareaktsioon on tuumareaktsioon, kus kergemate aatomituumade tuumaühinemise tulemusel kõrge temperatuuri ja rõhu juures tekivad raskemad aatomituumad. Termotuumareaktsioon on kõige levinum meetod tuumaühinemise esilekutsumiseks. Teised meetodid on veel elementaarosakeste kiirendis kiirendatud tuumade omavaheline kokkupõrgatamine ja müüon-katalüsaatormeetod.
Kergemate keemiliste elementide tuumade ühinemisel (alates vesinikust kuni raud-56, nikkel-62 ja raud-58 -ni) vabaneb suurtes kogustes energiat (kordades rohkem kui raskemate tuumade tuumalõhustumisel). Rauast raskemate elementide aatomituumade moodustumisel energia ei vabane vaid reaktsiooni toimumiseks läheb vaja lisaenergiat. Energiat tootvaid kontrollitud termotuumareaktsioone, kergete aatomituumade ühinemist ei ole siiani suudetud luua, sest pole suudetud luua tingimusi tuumaühinemise reaktsiooni toimumiseks moel, mis annaks tagasi rohkem energiat kui tuumaühinemise protsessi käivitamiseks kulus.
Termotuumareaktsioon võib olla kontrollitud (nagu termotuumareaktoris) või kontrollimata (nagu vesinikupommi plahvatus).
Termotuumareaktsioon.
Termotuumareaktsioon nõuab ülikõrgeid temperatuure (suurusjärgus vähemalt 10 miljonit kraadi) ja ülitihedalt kokku surutud ainet. Sellistel tingimustel on aatomid kaotanud peaaegu kogu oma elektronkatte ning aine on tugevasti ioniseeritud. Niisugust olekut nimetatakse plasmaks. Vahel loetakse plasma aine neljandaks olekuks kõrvuti tahke, vedela ja gaasilise olekuga. Põhiliselt moodustavad plasma paljad tuumad ja neist lahtikistud elektronid.
Termotuumareaktsiooni käivitamiseks on oluline anda aatomituumadele energia, mis on piisav tuumaühinemist takistava Coulombi barjääri ületamiseks. See on keeruline protsess, kuna nii kõrge temperatuurini kuumutatud plasma kipub soojuspaisumise tõttu laiali valguma ning muutub liiga hõredaks, et toimuks tuumareaktsiooniks vajalikul määral kokkupõrkeid aatomituumade vahel. Sõltuvalt plasma tihendamiseks kasutatavatest meetoditest jagunevad termotuumareaktsioonid järgmiselt:
Gravitatsiooniliselt alal hoitud termotuumareaktsioon.
Gravitatsiooniliselt alal hoitud termotuumareaktsioon toimub tähtede sisemuses, kus vesinik põleb heeliumiks. Tähe mass peab olema piisavalt suur, et gravitatsioonijõuga suruda kerged aatomituumad teineteisele piisavalt lähedale, et toimuks tuumaühinemine. Sellist tüüpi termotuumareaktsioon toimub ka päikese sees. See on praktiliselt kogu päikesesüsteemis tekkiva energia allikas.
Tähtede termotuumareaktsioonid toimuvad aeglaselt tänu sellele, et tähtede sisemuses puudub piisavas koguses deuteeriumi. Selleks, et tekiks deuteerium, peavad kaks vesiniku tuuma omavahel ühinema, et ühe vesiniku tuuma prooton saaks laguneda beetalagunemise tulemusena neutroniks. Kuna sellise protsessi toimumise tõenäosus on ülimalt madal, siis põlebki päike aeglaselt ega plahvata termotuumapommina.
Magnetiliselt alal hoitud termotuumareaktsioon.
Laetud osakestest koosnevat plasmat on võimalik kokku suruda ülitugeva magnetvälja abil. Lihtsaim meetod on kasutada solenoidi – pikka silindrit, mille ümber olevad magnetpoolid tekitavad silindriga paralleelse magnetvälja. Sellisel moel ei puutu plasma kokku toru seintega, kuid võib välja pääseda toru otstest. Silindri otste sulgemiseks on võimalik kasutada magnetpeegleid või kaotada lahtised otsad üldse ära – keerata solenoid "rõngasse" (toroidi). Esimesed sellised seadmed (tokamakid) ehitati Nõukogude Liidus 1950. aastate lõpus. Just tokamak reaktoris saavutati aastal 1968 esimest korda maapealne kontrollitud termotuumareaktsioon.
Tokamak reaktor koosneb toroidsest plasmakambrist, milles hoitakse kümnete miljonite kraadise temperatuuriga plasmat vaakumis ülitugeva magnetvälja abil. Selleks, et plasma ei jahtuks alla termotuumareaktsiooni tekitamiseks vajalikku temperatuuri ei tohi plasma puutuda vastu plasmakambri seinu. Samuti peab magnetväli olema piisavalt tugev, et suruda plasma kokku termotuumareaktsiooniks vajaliku tiheduseni.
Koos inertsiaalselt alal hoitud termotuumareaktsiooniga on magnetiliselt alal hoitud tuumareaktsioon põhiline uuritav juhitava termotuumareaktsiooni tekitamise võimalus tänapäeval.
Inertsiaalselt alal hoitud termotuumareaktsioon.
Kolmas termotuumareaktsiooni tekitamise meetod on rakendada kiireid suure energia impulsse tuumkütuse tüki pinnale tekitades implosiooni, mis üheaegselt surub tuumkütuse kokku ning kuumutab seda. Kui temperatuur ja rõhk on piisavalt suured, siis tõuseb tuumaühinemise reaktsiooni tõenäosus piisavalt kõrgele, et enamus tuumkütusest põleb ära enne tüki laialipihustumist. Sellist meetodit kasutatakse termotuumapommis, kus termotuumareaktsiooni sütikuks on tuumapommi plahvatusel tekkiv kiirgus.
Inertsiaalselt alahoitud termotuumareaktsiooni püütakse tekitada ka kontrollitud kujul, kasutades suure võimsusega laserit, ioon- või elektronikahurit ning Z-pinch'i. Katsetatud on ka tuumkütuse kokkusurumist tavalõhkeaine plahvatuse abil.
Termotuumareaktor.
Termotuumareaktor on seade, millega tekitatakse kontrollitud termotuumareaktsiooni. Seni ei ole ühtegi töötavat termotuumareaktorit, mis annaks välja rohkem energiat kui termotuumareaktsiooni esilekutsumiseks kulus.