FUSIOA;ENERGI ITURRIAGORTEZINA

Jose Antonio Legarreta

Gizakiok aspalditik jasaten ari garen energi premia dela eta,zientzilariren batek energi iturri agortezinik lortuko balu, bere izena

(Gizateriak dirauen bitartean) ez litzateke sekula ere ahaztuko. Gaur egunzenbait energi iturri (energia geotermikoa, hidraulikoa, eguzkitikoa,

nuklearra,...) ikertzen ari badira ere, zientzilari gehienen helburua fusio-erreakzioetan sortzen den energia ikaragarria menderatzea da. Azkenbatean, unibertsoaren gakoa izarren barnean gertatzen diren fusio-

prozesuetan datza.

usio nuklearra bi nu-kleo arin batuz nukleoastunago bat sortzekoprozesua da, energikantitate handia aska-tzen delarik. Hauxe daF

ezagutzen ditugun energi iturri guz-tietatik energi kantitaterik handienaematen duena.

Energi kantitate ikaragarri horierreakzioan suertatzen den masa-ga-lera dela bide sortzen da. Baina, zer

P

NN

P

N

N

P

NP

N

Tritioa

Deuterioa

Helioa

Neutroia

SUTASUN-PUNTUA. Hidrogenoarentritio eta deuterio isotopoen nukleoakkonprimatuz, beren fusioa lortzen da.Beronen ondorioz, helio-nukleo bat, neutroilibre bat eta energi kantitate handiaateratzen dira. Ondorengo orriko irudiakerakusten duenez, kanpoko presioaetengabea izatekotan neutroi libreak bestenukleo batzuen kontra talka egiten du,fusionaraztea lortuz.

F

ote da masa-galera? Laborategianneurtutako nukleo atomikoen masabere nukleoien (protoia eta neutroianukleoi izenaz ezagutzen dira) masenbatura baino txikiagoa da eta masa-diferentzia horri masa-galera deri-tzogu. Esaterako, laborategian egin-dako kalkuluen arabera 42 He-renmasa 4,0015 amu-koa (amu = masa-unitate atomikoa = 1,66077x x10–27

kg. Atomoen masa neurtzeko era-biltzen den unitatea) da. Bestalde,bere bi protoien eta bi neutroien ma-sen batura 4,032 amu-koa da. Beraz,helio-nukleoa bere lau osagaiak kon-binatuz sortuko bagenu, 0,0305 amu-ko masa-galera izango genuke. Nondago masa hori?. Galdera honierantzuteko ALBERT EINSTEINeklortutako E = m . c2 ekuaziora jo behardugu. Ekuazio honen arabera masabidez energia sor daiteke, eta alde-rantziz. Aurreko ekuazioaren arabera0,0305 amu-ko masa 28,3 MeV-ekoenergiaren baliokidea da. Beraz,4

2He-a sortzean suertatzen den masa-galera energi gisa askatzen da.

Masa-galera honen ondoriozenergia sortzen dela jakin zenean,fusio-ikerkuntza jaio bide zen. Harezgero arlo honetan buruturiko esperi-mentuak oso ugariak izan dira. Iker-tutako fusio nuklearretan, errentaga-rriena hidrogenoaren deuterio eta tri-tio isotopoen artekoa da; energi kan-titaterik handiena ematen duena baitda.

Muoia

2,2.10–6

105

–1,602x10–19

–

Erdibizitza (s)

Masa (MeV)

Karga (C)

Ikurra

Elektroia

egonkorra

0,511

–1,602x10–19

e–

sio handiak lortzeko ahaleginak egi-ten ari diren arren, emaitzak ez dirabehar bezalakoak.

Esanak esan, 1986.eko apirilaren24ean “American Physical Society”erakundeak deitutako bileran eskuhartu zuen STEVEN JONES fisikariamerikarrak, berak egindako esperi-mentuetan oinarrituz fusio-prozesua100°C inguruko tenperaturan buru-tzea lortua zuela esan zuen. Beroneneritziz, fusio-erreakzioan parte har-tzen duen hidrogeno-atomo bietakobaten elektroia muoi izeneko partiku-laz ordezkatzerik izango bagenu,fusioa askoz tenperatura txikiagoangertatuko litzateke. Beraz, fusio-erreakzioa muoiak katalizatua delaesan genezake.

Muoia 1936.ean erradiazio kos-mikoan aurkitu zen. Ondoko taulakerakusten duenez, elektroia eta mu-oia oso antzekoak dira.

Taula honek muoiaren eta elek-troiaren arteko antzekotasuna era-kusten du.

Muoia oso ezegonkorra da, berebatezbesteko bizitzaren balioak era-kusten duen bezala, eta elektroia bai-no 207 aldiz astunagoa. Azken pro-pietate honen zioz, elektroi astun ezi-zenaz ezagutzen da.

Egia esan, Jones-ek proposatuta-koa ez da ideia berria; duela berrogei-ren bat urte Bristoleko Unibertsita-teko F.C. FRANK fisikariak muoiakfusioa kataliza zezakeela iradoki baitzuen.

Ikus dezagun elektroia muoiz or-dezkatzerakoan zer gertatzen den. Ja-

usio-erreakzioen ikerkun-tzan topatzen dugun arazoa,besteak beste, langa elek-trostatikoa gainditzearena

da. Gogora dezagun elektrostatika-ren arabera zeinu bereko kargak el-karrengandik aldaratu egiten direla,eta karga biak zenbat eta hurbilagoegon are eta indar aldaratzaile han-diagoa jasaten dutela. Beraz, bi nu-kleoen fusio-prozesua burutu nahiizanez gero, indar aldaratzailea gain-ditu beharra dago. Beronetarako mi-lioika graduko tenperatura eta presiohandiak beharko ditugu. Deuterio-Tritio fusio-erreakzioaren kasuanesaterako, 108°C-ko tenperatura

behar da. Fusio-ikertokietan dihar-duten ikerlariak tenperatura eta pre-

kina denez, atomoaren erradioa ma-sarekiko alderantziz proportzionalada. Beraz, muoidun hidrogenozkoatomoa elektroiduna baino 200en bataldiz barnebilduagoa litzateke eta

muoia nukleotik askoz hurbilago le-goke. Beronen ondorioz, muoiaknukleoaren karga positiboa mozorro-tu egiten du eta nukleo honen etabeste nukleoren baten arteko indar

aldaratzailea intentsitate txikiagokoabide da, langa elektrostatikoa aiseagogainditua delarik. Beraz, ez dugu ten-peratura nuklear handietaraino bero-tu beharrik.

Irudi honetan F. C. FRANKekadierazitako fusio-prozesuarenlau urratsak azaltzen dira

2. U

RR

AT

SA1.

UR

RA

TSA

Hidrogenozkoatomoa

Muonioa

3He–zkonukleoa

Hidrogenozkoatomoa

3. U

RR

AT

SA

Mesomolekula

Mesomolekula

Deuteriozkonukleoa

Deuteriozkonukleoa

Deuteriozkonukleoa

Tritiozkonukleoa

Tritiozkonukleoa

Muonioa

4. U

RR

AT

SA

Muoia

Elektroia

Protoia

Neutroia

I

3. urratsa:Muoia bere oraingo nukleotik osohurbil dagoenez, bere karga negati-boak nukleoaren karga positiboa mo-zorrotu egiten du, indar aldaratzaileelektrostatikoa gainditzeko errazta-sun handiagoa egoten delarik. Or-duan, muoidun deuterioak eta ingu-ruko hidrogeno-atomoren batek el-karren kontrako talka egin lezakete.Talkaren ondorioz, hidrogeno-ato-moaren elektroia muoiak egotziaizango litzateke eta muoiaren bidezdeuterioa eta protoia elkartuko lirate-ke, mesomolekula eratuz.Bi nukleook elkarrengandik oso hur-bil daudenez eta bibratzen ari dire-nez, langa elektrostatikoa gainditueta fusionatzeko aukera ezinhobeandaude.

4. urratsa:Frankek irudikatutako azken urratshonetan muoia desagertu egingo li-tzateke, desintegrazioz edo nukleoa-ren absortzioz, eta 3He-zko nukleoasortuko litzateke. Beraz, fusioa buru-tu egin da.

Frankek egindako kalkuluen ara-bera, azaldutako erreakzio-multzoa10-12 s-tan gertatzen da. Muoiaren ba-tezbesteko bizitza 2,2.10-6 s-koa de-nez, prozesua burutu daiteke, muoia

desagertu aurretik fusioa gertatzen daeta.

Metodo honek fusiogintzanaurrerapauso handia dakarren arren,ez dugu arazo guztiak garbitu ditugu-nik pentsatu behar. Egia esan, orainarte aipatutako guzita teoria baino ezda eta praktikara eramatekotan tek-nologi arazoei irtenbideak emanbeharko zaizkie.

Muoia

Elektroia

Protoia

Neutroia

Energi kantitaterik handienaematen duen erreakzioa, D-T fusio-erreakzioa da. Muoiak erreakzioakatalizatzen du eta beraren bitartezdeuterio eta tritiozko nukleoak lotzendira, fusio-prozesua gertatzendeneko mesomolekula sortuz.

kus dezagun F.C. Frank-ekmuoi bidez katalizatutako fu-sio-erreakzioa nola azalduzuen. Frankek garaturiko fu-

sio-prozesua, ondoko lau urratsotangertatzen da:

1. urratsa: Muoiak hidrogeno-ato-moaren elektroia bere orbitatik ego-tzi egiten du, muoidun hidrogenoasortuz.

2. urratsa: Muoidun hidrogeno-ato-moaren inguruan deuterio edo tritioz-ko nukleorik egonez gero, muoia hi-drogenotik deuteriora edo tritiora pa-satuko litzateke, zeren muoiak nu-kleo pisutsuagoaren inguruan grabi-tatzean energia txikiagoko orbitaleanegongo bait litzateke. Gogora de-zagun termodinamikaren arabera sis-tema fisiko guztiek, eta gure kasuanmuoiak, energiarik txikieneko egoe-rara edo mailara jotzen dutela. Beraz,muoidun deuterioa lortu dugu.

Guzti hau plazaratu ze-nean, asmakeriatzat hartuzuten. 1956.era arte teo-ria honek ez zituen bere

lehenengo oinarri esperimentalakizan. Berkeley-ko zientzilari-taldebatek (LUIS ALVAREZ fisikariarenzuzendaritzapean) kaoi izenekopartikulen ezaugarriak ikertzenziharduelarik, aipaturiko oinarri es-perimentalak burbuila-ganbaransuertatu ziren. Esan dezagun burbui-la-ganbara Fisika Nuklearrean era-biltzen den partikula-detektatzaileadela. Burbuila-ganbara 1952.ean D.A. GLASERek eta L. ALVAREZeksortua da. Ganbarara bere irakite-puntuaren inguruko tenperatura duenlikidoa sartzen da. Likidoarengaineko presioa txikiagotzean bera-ren irakite-tenperatura jaitsi egitenda. Presioa nahikoa txikiagotuz gero,irakite-tenperatura likidoarena bainotxikiagoa izatea lortuko dugu, likidoagainberotze-egoerara eramangodugularik. Likidoa gainberotze-egoeran dagoela, lurrinkorra da etalurrintze-zentrurik izatekotan (par-tikula solidoak edo ioiak, esaterako)lurrindu egiten da. Beraz, baldintzahauetan partikula ionizatzaileek liki-doa zeharkatzen badute, ioien ingu-

Gaur egun fusio-saioak burutzen direnlaborategietakoikerlariek oso tresnaaurreratuak darabiltzate

gatu zuten. Egindako kalkulu teori-koen arabera, muoi bidezko fusio-prozesua burutzea posible zela iku-sita, ikerlariek prozesuaren energierrentagarritasuna aztertzeari ekinzioten.

1983.ean Steven Jones-ek eta be-re ikertaldekideek egindako esperi-mentuetan muoiko 80 D-T fusio-erreakzio neurtu zituzten. Kopuruona izanik ere, energi errentagarrita-sunaren ikuspegitik oso txikia zen;prozesuan gastatutako energia lortu-takoa baino handiagoa bait zen. Mu-oia lortzeko bide batzuk daudenarren, pioi izeneko partikularen de-sintegrazioz lortu ohi dira, metodorikerrentagarriena eta onena da eta. Pi-oiak nukleoien arteko talken ondo-rioz sortzen dira, gehienetan karbo-no-nukleoen eta protoien artekoakerabiltzen direlarik. Esan dezagunazaldutako muoiaren lorbidean 5GeV-eko energi kantitatea behar delaeta Steven Jonesek bere esperimen-tuetan muoiko neurtutako 80 D-Tfusio-erreakzioetatik 1,4 GeV-ekoenergi kantitatea lor daitekeela.Beraz, muoiko 300 edo 400 fusi-erreakziok gertatu behar lukete,prozesua errentagarri izan ledin. Ho-na hemen lehia!.

Izan ere, fisikariek saioak hobe-tzeko premia ikusi zuten. Idaho-koUnibertsitateko fisikariek egindakosaioetan, muoiko 170 fusio lortuakdituzte eta halako bi lortuko dituzte-lakoan daude. Gainera, fisikari teori-koek oso emaitza onak iragarri dituz-te, eta esperimentuak zein teknikahobetuz, muoiko 103 fusio-erreakzio

ruan gas-burbuilak sortuko dira. Gas-burbuilek partikularen ibilbideaerakutsiko lukete eta ibilbidearenkurbadura neurtuz, partikulakidentifikatu eta zein energiatakoakizan diren esan daiteke. Luis Alva-rez-ek hidrogeno likidoa erabili zueneta gainberotze-egoeraraino eramanzuen. Ondoren, kaoi-sorta batburbuila-ganbarako hidrogeno li-kidoan zehar pasarazi zuen eta ioienibilbidean kurbadura neurtuz, kaoiezgain muoiak identifikatu zituen. Go-gora dezagun kaioak partikula eze-gonkorrak direla eta beren deskon-posaketaren ondorioz, besteak beste,muoiak sortzen direla. Bestalde, gan-barako hidrogenoak deuterioa zuen1/50.000-eko proportzioan. Honahemen, beraz, Frankek irudikatutakofusio-prozesua gerta dadin bete behardiren baldintzak. Franken fusio-pro-zesurako baldintzak, azareak bildubide zituen.

Baina, deuterio eta tritioaren arte-ko fusio-erreakzioak energi kantitatehandiagoa ematen duenez, zientzi-lariek Franken metodoa D-T erreak-ziorako erabil zitekeela proposatuzuten.

L.I. PONOMAREV eta S.S.GERSTEIN ikerlari sobietarrek D-Terreakzioa hurrengo erara kataliza

zitekeela proposatu zuten: hasieran,muoia tritiozko nukleoari atxekitzenzaio. Muoidun tritioa deuterio-mole-kularen batetik hurbil egonez gero,supermolekularen antzeko bat eratu-ko litzateke, zeinean deuterioa etatritioa muoiaz lotuta bait leudeke.

Mesomolekularen barruan gerta-tzen da fusioa, lehenago deskribatu-tako prozesuaren antzera, baina ba-dago desberdintasun nabari bat: kasuhonetan mesomolekula azkarragoeratzen denez, fusioa azkarrago ger-tatzen da. Jarraian, deskribatutakoprozesuaren egingarritasuna aztertuzuten sobietarrek eta egin zituztenkalkuluen arabera muoia desintegra-tu aurretik, 100 erreakzio baino gehi-ago katalizatuak izan zitezkeela fro-

G

Sorgailuelektrikoa

Eroaleelektrikoa

Platinozkoanodoa Paladiozko

katodoa

Ur astuna(D2 O)

+ –

Irudian agertzenden bezain tresneriasinplea erabili omendute S. Ponsek etaM. Fleischmannekberen fusio-saioaburutzeko

I

1. prozesua

P N

P N

P

P

P

NN+ + 3.25 MeV

deuterioa

deuterioa neutroia

neutroia

helio (3)a

helio (4)a

2. prozesua

P N

P N

P N

P N

P N

P

N N

N

+ + 4 MeV

+ + 17.6 MeV

deuterioa

deuterioa

deuterioa

tritioa protoia

2. prozesuaren lehenengoerreakzioan 4 MeV-eko energiaaskatzen da eta bigarrenarenean,aldiz, 3,25 MeV-ekoa. Beraz, energibalantzearen ikuspegitik bigarrenprozesua izango litzatekesuertatzeko probabilitaterikhandiena duena; energi kantitaterikhandiena sortzen duena bait da.Dena dela, maiatzera arte itxaronbeharko dugu, Pons, etaFleischmann-en esperimentuarenzehaztasunak jakin arte; biprozesuotatik zein gertatzen denjakiteko alegia.

lor litezkeela esaten dute. Bestalde,muoiak energi kostu txikiagoz lor-tzeko metodoak ikertzen hasiak dira.

FUSIO HOTZA LORTUA?

tean eskainitako hitzaldian fusio ho-tzaren arloan egin dituen azkenekoesperimentuen berri eman zuen etaazaldu zuenaren arabera bere emai-tzak S. Pons eta M. Fleischmann-enak baino fidagarriagoak dira, ener-gi kantitate txikiagoa lortu arren.Gogora dezagun Steven Jones-ekazken 5 urteok fusio hotzaren iker-kuntzan eman dituela. Beronen emai-tzak ere "Nature" aldizkarian pla-zaratuko omen dira. Beraz, maiatzeraarte itxaron egin beharko dugu. S.Pons eta M. Fleischmann-ek azken40 urteotan fusiogintzan ihardundira, hidrogeno-fusioa lortu nahiz.Hiru ikerlariok elkar ezagutzen duteeta garai batean fusio-ikerketak la-borategiberean eta elkarrekin burutuzituzten, baina, batek daki zergatik,banandu egin ziren eta oso lehiatsuibili dira beraien artean.

Esperimentuaren berri jaso etazenbait ikerlari aurresaioak burutzenhasiak dira, lehen esanda bezala S.Pons eta M. Fleischmann-en fusio-prozesua egiaztatzearren.

Estatu Batuetan fusio-energiazdiharduten ikerlarien koodinatzaileden STEPHEN DEAN, Pons etaFleischmann-ek iragarritako emai-tzen aurrean harritu egin da, zeren etaBrighmann Joung-eko Unibertsita-

teko fisikari batzuek ere esperimentubera egin eta ez bait dute Pons etaFleischmann-ek beste energia lortu.S. Dean-en aburuz, metodo honenbidez ez dago energi kantitate handi-rik lortzerik.

Estatu Batuetako Fisika–Erakun-dearen kide den ROBERT PARKekberen neurketak nola egin dituzteninor ez dakiela adierazi du. Deuterio-atomo biren fusioaldiren lehenengoerdian tritio-atomo bat eta protoi bat—R. Park-en ustez— sortzen dira etabeste erdian He (4)-atomo bat etaprotoi bat. Sortutako neutroiaren no-rabideak eta energi espektroek fusioagertatu den ala ez dagoen tresneriadela bide behinik behin. Beronen us-tez, X izpiek interferentziarik sor de-zakete; neutroien norabide eta energikantitate berbera ematen bait dituzte.

Britainia Haundiko Energia Ato-mikoaren Erakundean DAVIDWILLIAMSen zuzendaritzapekoikerlari batzuek azken egunotanbeharrezko saioak egin dituzte S.Pons eta M. Fleischmann-en saioarenfidagarritasuna ikusteko. SaioakHarwell-eko ikertokian egin dituzteeta ez dute neutroirik aurkitu. Egiaesan, neutroien presentzia ezinbeste-ko da fusioa gertatu dela frogatzeko.Azken 50 urteotan Estatu Batuetan

ragarpen hauen aurrean fusio-gintzan aritzen diren besteikerlari batzuk adorez bete diraeta gogor ekin diete beren fu-

sio-saioei. Ikerhelburuak giro-ten-peraturan burututako fusio-proze-suan, hau da, gaur egun fusio hotzaizenaz ezagutzen denekoan, daude.Izan ere, STANLEY PONSek etaMARTIN FLEISCHMANNek aur-tengo martxoaren 23an Estatu Ba-tuetako Utah-ko Unibertsitateanegindako prentsaurrekoan, berrikiburutua duten fusio-prozesuarenberri eman zuten. Ikerlari hauek es-perimentua 27°C-ko tenperaturanburutu zuten, eta paladio eta pla-tinozko elektodoak erabiliz, ur astu-nez (D

2O) betetako upela elektroliti-

koan deuterio-atomoen fusioa lortuazutela adierazi zuten. Prentsaurre-koan ez zuten zehaztasun handirikeman eta emaitzak "Nature" aldizka-riaren aurtengo maiatzaren alean ar-gitaratuko zirela esan zuten. Ostekoastean Steven Jones-ek Estatu Ba-tuetako Columbia-ko Unibertsita-

milaka milioika pezeta gastatu dira fusiogintzan.Hidrogeno-atomoak fusionaraztearren era guz-tietako metodoak erabili dira, hala nola, kon-finamendu magnetikoaren bidezkoak, laserbidezkoak. Beraz, ez da batere harrigarria fisika-rigoa bi kimikariek oso tresneria sinplea erabilizlortutako emaitzen aurrean mesfidati agertzea.

Eritziak eritzi, S. Pons eta M. Fleischmann-enesperimentuaren gorabeherak jakiteko, esanadenez, "Nature" aldizkariak argitaratuko due-naren zain egon beharko dugu. Baina, antzadenez, honelaxe gertatzen da: korronte elektri-koa ur astunean zehar pasarazten dute. Korronteelektrikoak ur astuna disoziatu egiten du, 0=

(oxigenoa) eta D+ (deuterioa) ioiak emanez.Orduan, D+ ioi positiboek paladiozko elektrodonegatibora (katodoa) jotzendute. Katodoan D+

ioi-kantitate handia pilatzen denean, deuterio-ioiek (batabestetik oso hurbil daudenez) fusio-natu baino ez dute beste aukerarik. Baina, erreak-zio-produktuak era desberdinetakoak izandaitezke. Esaterako, helio (4)-nukleo bat eta 3.25MeV-eko energi neutroi bat sor daitezke.Bestalde, baliteke tritio-atomo bat eta 4 MeV-eko protoi bat sortzea, eta, ostean, tritio-atomohorrek deuterio-atomo batekin erreakzionatzea,helio (4)-nukleo bat eta 17,.5 MeV-eko neutroibat emanez. Ikerlariak ez dira ados jartzen.Batzuen eritzitan lehenengo erreakzioa suer-tatzen da eta beste batzuek, ostera, bigarrenasuertatzen dela diote. Somatzen denez, ez dagoideia-faltarik eta epe laburrean gizakiak fusio-prozesuaren barneko energia ikaragarriakontrolatzea lortuko bide du. Amaitzeko, azkenhitzok partikula-fisikagintzari eskaini nahinizkioke, irakurlea fisikaren arlo honek dituenerabiltzeko aukerez ohar dadin. Jakina denez,atomoaren osagai diren elektroia, protoia etaneutroia aurkitu zirenez geroztik, fisikagintzarenhistorian zehar beste hainbat partikula (muoia,kaoia, pioia, positroia, ...) aurkitu dira. Partikulaberriren bat aurkitzen zenero, fisikarigoa aldebatetik lortutako aurkikundea zela eta poztuegiten zen, eta bestetik mundua gero etakorapilatsuagoa ikusten zuten. Horrelaxe jaiozen partikula-fisika eta orain arte beronen erabi-lera ia-ia kosmologiara eta astrofisikara mugatuizan arren, espero dezagun gizakiontzat hainbeharrezko eta praktiko den energi iturri gisaezezik beste giza beharretarako ere erabilpenpraktikoa hemendik aurrera izan dezan.

Oharra: artikulu hau apirilaren erdi aldera idatzi da etageroztik gai honi buruz sortuko diren albisteen berriematen saiatuko gara.