Lõhustumine ja sulandumine on kaks võimalust aatomituumadest energia eraldamiseks tuumareaktsiooni abil. Erinevus nende vahel on protsessis: üks sulatab väiksemate tuumadega aatomid kokku, sulatades need kokku, teine aga lõhustub lõhustumistoodeteks. Mõlemal juhul on kaasatud energia hulk nii suur, miljoneid kordi rohkem kui muudest energiaallikatest, et need tuumaprotsessid toimuvad ainult konkreetsetes tingimustes.
Mis on tuumasüntees?
Verbina on fuse sünonüüm "kombineerida" või "segada". Sellest järeldub, et tuumasünteesi protsessis kaks kerget tuuma kokku sulama raskema tuuma moodustamiseks. Näiteks võivad kaks vesinikuaatomit kokku sulanduda, moodustades ühe deuteeriumi.
Tohutult kõrge energia, tavaliselt ülisuure kuumuse kujul, mis tekitab väga kõrgeid temperatuure, ja kahe nõutamiseks on vaja survet tugevalt positiivsed tuumad, mis tavaliselt tõrjuvad sulandumise tekkimiseks piisavalt lähedale ruumi, vabastades tuumas energeetikat protsess.
Seetõttu toimub see protsess ainult selliste tähtede sees nagu päike, mille tuumades on looduslik termotuumasünteesireaktor. Inimkond võib ajutiselt luua tingimused tuumasünteesiks, näiteks vesinikupommiga, kuid Selliste kõrgete temperatuuride hoidmine, mis on vajalik kontrollitud ja pideva reaktsiooni jaoks energiaallikana kasutamiseks, pole veel võimalik.
Kui tuumasüntees algab, võib see jätkuda isemajandavana ahelreaktsioon. Seda seetõttu, et väiksemad aatomid, mille mass on kuni perioodilise raua massini, annavad sulandumisel rohkem energiat, kui on vajalik nende kokku sulatamiseks (eksotermiline reaktsioon). Sellisena on tuumasüntees protsess, mille käigus enamik tähti energiat eraldab.
Mis on tuuma lõhustumine?
Lõhustumine, mida saab defineerida kui millegi osadeks jagamise toimingut, on termotuumasünteesi vastand.
Tuumalõhustumisel laguneb raske tuum kergemateks tuumadeks. Purunemine toimub siis, kui neutron põrkab raskesse tuuma, tekitades väga radioaktiivseid ja ebastabiilseid kõrvalsaadusi koos rohkemate neutronitega, mis lagunevad tuumaahela reaktsioonis edasi.
Tuumalõhustumisel eralduv energia on miljoneid kordi tõhusam kui ekvivalentmassi söe põletamisel eralduv. Erinevalt termotuumasünteesireaktsioonidest on tuumareaktorites lõhustumisreaktsioone suhteliselt lihtne käivitada ja juhtida, muutes need laialt levinud energiaallikaks.
Lõhustumise ja termotuumasünteesi näited
- Tuumareaktorid: Insenerid kasutavad tavaliselt plutooniumi või uraani lõhustumisreaktsioon, reguleerides kiirust vee ja reaktiivse materjali vardadega, mis neelavad vabu neutroneid. Lõhustumisreaktsioonides eralduv energia soojendab vett ja sellest tulenev aur pöörab turbiinid, mis toodavad elektrit inimtarbeks.
- Aatomipommid: Tuuma lõhustumise reaktsioonid esineda aatomipommides. Erinevalt tuumajaamast reaktsiooni ei kontrollita, mis võimaldab kiiret ahelreaktsiooni, mille tulemuseks on uskumatute energiate korraga vabanemine. Ainus viis, kuidas inimesed Maa peal saavad luua termotuumasünteesiks vajalikke tingimusi, õige temperatuuri piisava massiga, mis purustatakse kokku piisavalt kõrgel rõhul, on lõhustumise algatamine pommiga.
- Radioaktiivne lagunemine: Tuuma lõhustumine toimub ka radioaktiivses lagunemises, kui element eraldab spontaanselt energiat osakeste kujul. Raadioaktiivse lagunemise poolväärtusaeg ehk pool proovis sisalduvate radioaktiivsete tuumade lagunemisaega sõltub tuuma üldisest stabiilsusest. Maal looduslikult esinevad radioaktiivsed materjalid läbivad sel viisil pidevalt lõhustumisreaktsioone.
- Tähtede tuum: Tuumasünteesi reaktsioonid tekivad looduslikult tähe sees oleva intensiivse temperatuuri ja rõhu all. See on aluseks enamusele energiatest, mida tähed annavad.
- Külm sulandumine: hüpoteetiline viis loomiseks tuumasüntees "toatemperatuuril", muutes selle inimtegevuseks elujõuliseks energiaallikaks, pole külmfusiooni kunagi edukalt välja töötatud.