Pembelahan & Pelakuran Nuklear

Pembelahan Nuklear

Apabila neutron perlahan melanggar nukleus Uranium-235, nukleus itu boleh berpecah kepada dua serpihan bersaiz sederhana — disertai pembebasan dua hingga tiga neutron baharu serta sejumlah besar tenaga. Oleh kerana ²³⁵U terletak melepasi puncak tenaga ikatan di kawasan besi, serpihan yang terhasil terikat lebih kukuh berbanding nukleus asal — perbezaan ini dibebaskan sebagai tenaga.

Oleh kerana setiap pembelahan menghasilkan beberapa neutron baharu yang seterusnya boleh membelah nukleus lain, satu tindak balas berantai yang mampu mengekalkan dirinya sendiri boleh terbentuk — terkawal di dalam reaktor nuklear, tidak terkawal di dalam senjata nuklear. Supaya tindak balas ini tidak terhenti, satu kuantiti minimum bahan boleh belah mesti wujud: jisim kritikal.

Pelakuran Nuklear

Di hujung lain lengkung tenaga ikatan terletak pelakuran (fusion): apabila dua nukleus ringan seperti deuterium (²H) dan tritium (³H) bergabung membentuk helium, nukleus yang terhasil terikat lebih kukuh berbanding kedua-dua nukleus asal digabungkan — sekali lagi, perbezaan ini dibebaskan sebagai tenaga, malah jauh lebih banyak bagi setiap nukleon berbanding pembelahan.

Masalahnya: kedua-dua nukleus bercas positif dan saling menolak secara elektrostatik. Hanya pada suhu berpuluh-puluh juta darjah — seperti di teras Matahari atau di dalam reaktor pelakuran — nukleus bergerak cukup pantas untuk membolehkan sebahagian daripadanya mengatasi halangan Coulomb (dengan sedikit bantuan daripada kesan terowong kuantum). Menguasai masalah ini adalah sebab mengapa pelakuran nuklear terkawal di Bumi masih belum boleh digunakan secara komersial sehingga kini.

E = mc² Secara Perbandingan

Baik pembelahan mahupun pelakuran membebaskan kecacatan jisim yang sangat kecil sebagai tenaga — tetapi pada skala yang mengatasi mana-mana tindak balas kimia: satu kilogram Uranium-235 yang dibelah sepenuhnya menghasilkan tenaga yang lebih kurang sama dengan pembakaran dua hingga tiga juta kilogram arang batu.

Loji Kuasa Berbanding Reaktor Pelakuran

Pada suhu melebihi 100 juta darjah, tiada lagi bahan api pepejal atau cecair yang wujud — yang tinggal hanyalah plasma, iaitu gas yang terdiri daripada nukleus atom dan elektron bercas elektrik yang bebas bergerak. Tiada bahan yang diketahui mampu membentuk dinding bekas yang dapat menahan suhu ini tanpa sentuhan; sebarang sentuhan langsung akan menyejukkan plasma serta-merta dan menyejat dinding bekas tersebut. Penyelesaiannya memanfaatkan cas elektrik plasma itu sendiri: zarah bercas boleh bergerak hampir bebas di sepanjang garis medan magnet, tetapi amat sukar bergerak melintanginya — daya Lorentz memaksa zarah tersebut ke laluan lingkaran rapat di sekeliling garis medan. Jika garis medan ini dibengkokkan supaya membentuk gelung tertutup, misalnya berbentuk torus (bentuk donat), plasma boleh beredar pada laluan tersebut tanpa pernah menyentuh dinding — sebuah "botol magnet" yang tidak kelihatan. Ini memerlukan gegelung magnet yang besar, kebanyakannya adiwira, yang disusun mengelilingi bekas vakum dan menghasilkan kekuatan medan beberapa tesla — sepuluh hingga seratus ribu kali ganda medan magnet Bumi.

Dari segi teknikal, dua reka bentuk berbeza telah menjadi standard bagi kurungan magnet ini: pada Tokamak — perkataan Rusia untuk "kebuk toroid dengan gegelung magnet" — gegelung yang disusun secara bulatan bersama arus elektrik yang disebabkan di dalam plasma itu sendiri menghasilkan medan magnet yang diperlukan; reka bentuknya agak simetri dan ringkas, tetapi memerlukan arus plasma yang hanya boleh dikekalkan secara berdenyut. Reaktor penyelidikan antarabangsa ITER di selatan Perancis, kini reaktor percubaan pelakuran terbesar di dunia, mengikut prinsip ini.

Stellarator pula tidak memerlukan arus plasma yang disebabkan dan menghasilkan medan magnet terpiuh yang diperlukan semata-mata melalui gegelung berbentuk kompleks yang berlingkar secara tiga dimensi — jauh lebih mencabar dari segi teknikal untuk dibina dan dikira, tetapi pada dasarnya sesuai untuk operasi berterusan. Institut Max Planck di Jerman mengendalikan Wendelstein 7-X di Greifswald, stellarator terbesar di dunia.

Pandangan atas sebuah Tokamak: plasma beredar di dalam torus, dikekalkan oleh gegelung magnet; zarah bercas hampir tidak dapat meninggalkan garis medan, sebaliknya melingkar di sekelilingnya.

Pendekatan yang sama sekali berbeza diambil oleh pelakuran inersia: bukannya medan magnet, laser yang amat kuat — seperti di National Ignition Facility (NIF) di Amerika Syarikat — menumpukan tenaganya dalam masa beberapa nanosaat ke atas sebiji kapsul bahan api yang sangat kecil, memampat dan memanaskannya serta-merta dari semua arah supaya pelakuran tercetus sebelum bahan tersebut sempat berselerak — dengan cara ini, NIF buat pertama kalinya mencapai keuntungan tenaga bersih daripada tindak balas pelakuran itu sendiri pada 2022. Selain itu, syarikat yang dibiayai secara persendirian seperti Commonwealth Fusion Systems (Tokamak medan tinggi yang padat dengan superkonduktor suhu tinggi) atau Helion Energy (pelakuran inersia termagnet berdenyut) turut semakin giat mengejar pendekatan teknikal masing-masing, sebahagiannya hibrid, dengan matlamat merealisasikan loji kuasa pelakuran komersial lebih pantas berbanding penyelidikan yang dibiayai kerajaan.