Apakah Gabungan Nuklear? Dan Bagaimana Ia Berfungsi?

Selaras dengan penemuan terkini dalam bidang ini, penggabungan nuklear semakin banyak dibincangkan di media. Tetapi apakah penggabungan nuklear dan bagaimana ia berbeza daripada pembelahan nuklear? Dan mengapa begitu banyak syarikat dan negeri melabur dalam penyelidikan dan pembangunan fusi? 

Kami menjawab soalan-soalan ini di sini sebelum menekankan peranan penting yang dimainkan oleh vakum dalam mencapai fusi nuklear.

Pada masa ini, loji tenaga nuklear menghasilkan tenaga dengan memanfaatkan proses fisi. Fisi nuklear melibatkan pengambilan atom besar yang tidak stabil seperti isotop uranium U-235, dan membahagikannya kepada dua atom yang lebih ringan. Proses ini melepaskan sejumlah besar tenaga yang boleh digunakan. 

Fisi adalah dimulakan dengan membombardir U-235 dengan neutron. Apabila neutron-neutron ini menghentam atom U-235, mereka memaksa neutron tambahan untuk dilepaskan yang akan berinteraksi dengan lebih banyak U-235 dan mencipta reaksi berantai. Reaksi ini juga boleh menghasilkan radiasi elektromagnet. Untuk memaksimumkan pengeluaran tenaga, bilangan neutron yang digunakan dalam fisi mesti dikawal untuk mengelakkan reaksi berantai daripada mati atau melarikan diri.

Reaktor fisi berfungsi dengan cara yang sama seperti loji kuasa konvensional. Fisi berlaku dalam bekas reaktor, yang dikawal oleh batang kawalan. Haba dari reaksi tersebut digunakan untuk memanaskan air dan menghasilkan wap. Uap ini kemudian menggerakkan turbin untuk menghasilkan elektrik. Langkah tambahan diperlukan untuk membuang bahan bakar yang telah digunakan dengan selamat kerana ia radioaktif dan boleh mempunyai separuh hayat melebihi 10,000 tahun. Dalam banyak kes, kos penutupan adalah sehingga 15% daripada kos modal awal.

Untuk menghasilkan bahan bakar bagi fisi nuklear, pengayaan terlebih dahulu diperlukan untuk meningkatkan kepekatan uranium-235 dari 0,7% yang terdapat secara semula jadi dalam bijih uranium kepada 4-5% yang diperlukan untuk proses fisi. Ini dilakukan menggunakan 1,000-2,000 tahap sentrifug. Untuk melakukan ini, bijih uranium ditukarkan kepada gas UF6, diproses, dan kemudian ditukarkan menjadi pelet bahan bakar selepas proses pengayaan. Proses sentrifugal dikawal dengan teliti di bawah parameter vakum tertentu.

Sekitar 440 reaktor kuasa nuklear beroperasi di 33 negara. Reaktor-reaktor ini menghasilkan kira-kira 10% daripada elektrik dunia. Selain itu, kira-kira 55 reaktor kuasa nuklear sedang dalam pembinaan. Bijih uranium diperoleh dari 10 negara dan mempunyai kepadatan tenaga 70,000 kali ganda daripada bahan bakar fosil. Kos pembinaan sebuah loji tenaga nuklear boleh antara $2 hingga $20 bilion, walaupun pembangunan unit yang lebih kecil dan kos yang lebih rendah adalah mungkin.

Reaksi penggabungan elemen ringan memberi tenaga kepada bintang dan menghasilkan hampir semua elemen dalam proses yang dipanggil nukleosintesis.

Fusi nuklear adalah teknologi yang sedang berkembang dan berada di barisan hadapan penyelidikan saintifik semasa. Dengan potensi untuk merevolusikan pengeluaran tenaga, fusi adalah fokus bagi sejumlah besar projek nasional dan antarabangsa. 

Dalam proses gabungan nuklear, dua atom ringan ‘digabungkan’ bersama untuk mencipta atom yang lebih besar. Dengan cara ini, gabungan nuklear adalah bertentangan dengan pembelahan: bukannya memecahkan atom, atom bergabung untuk membentuk yang lebih besar. Ini menghasilkan pelepasan tenaga. 

Fusi menggabungkan isotop hidrogen seperti deuterium dan tritium. Deuterium, juga dipanggil hidrogen berat, adalah serupa dengan isotop hidrogen ‘biasa’ seperti protium, tetapi deuterium mengandungi satu neutron tambahan. Sebagai perbandingan, tritium adalah isotop hidrogen yang mengandungi dua neutron tambahan. 

Reaksi fusi ideal menggunakan campuran 50:50 deuterium dan tritium (reaksi 3 dalam ilustrasi di atas) dengan hanya beberapa gram diperlukan pada bila-bila masa. Namun, ideal ini sukar untuk dicapai. Pada masa ini, semua peranti fusi kecuali satu beroperasi hanya menggunakan deuterium (reaksi 1 dan 2). Ini kerana tritium jarang terdapat di alam dan mesti dihasilkan secara buatan. 

Atom ringan hanya boleh bergabung jika mereka ‚ditekan‘ bersama untuk jangka masa yang cukup lama. Pada jarak radius nukleus, daya tarikan nuklear adalah lebih kuat daripada daya tolakan elektrostatik. Berdasarkan kekangan ini, kesukaran teknikal utama untuk penggabungan adalah mendapatkan nukleus cukup dekat untuk bergabung. Inilah sebabnya mengapa bentuk pengekangan sama ada magnetik atau inersia diperlukan. 

Suhu yang besar diperlukan untuk kedua-dua jenis penahanan: lebih daripada 4x10⁷ K untuk penggabungan deuterium–tritium (DT). Itu 10 kali lebih panas daripada Matahari!

Pelbagai pendekatan yang telah dicadangkan untuk mencapai fusi. Walau bagaimanapun, terdapat hanya dua jenis utama penahanan. 

Pembakaran terkurung magnetik (MCF) boleh dikatakan yang paling menjanjikan untuk penjanaan tenaga komersial. Ia menggunakan satu siri magnet yang sangat kuat, dengan helium cecair digunakan untuk menyejukkan magnet dan meningkatkan prestasi peranti.

Jenis peranti pengekangan magnet yang paling biasa adalah Stellarator dan Tokamak, walaupun beberapa kemudahan telah bereksperimen dengan peranti yang menggunakan cermin magnet. Ketiga-tiga jenis peranti ini terdiri daripada sebuah bekas vakum pusat, di mana plasma dikandung dan reaksi fusi berlaku. Vessel vakum dikelilingi oleh kriostat, di mana magnet superkonduktor ditempatkan dan disejukkan. Stellarator dan Tokamak mempunyai bentuk toroidal, manakala mesin cermin mempunyai bentuk silinder. Medan magnet terus-menerus memaksa atom-atom berkumpul dan suhu tinggi menyebabkan percikan api. 

Jenis penahanan kedua yang biasa adalah penggabungan penahanan inersia (ICF). Teknik ini mengeluarkan tenaga penggabungan dengan membom pelet kecil (1 hingga 3 mm) bahan bakar DT dengan laser atau pancaran zarah bercas untuk memampatkan dan memanaskan campuran hingga pencucuhan. Di sini, pencucuhan merujuk kepada keadaan di mana semua zarah alfa dihentikan, yang menyebabkan plasma menjadi panas.

Pemampatan dan pemanasan dilakukan dengan sangat cepat menggunakan laser berkuasa tinggi dengan denyutan pendek (1 hingga 10 ns), sinar-X atau sinar ion yang memotong bahan bakar dari pelbagai arah. Peranti pemacu langsung menghantar denyutan tenaga mampatan terus kepada pelet bahan bakar. Teknik ICF pemacu tidak langsung mempunyai pelet bahan bakar yang diletakkan di dalam sebuah bekas logam kecil (hohlraum/ruang pembakaran). Laser kemudian difokuskan pada hohlraum, memanaskannya menjadi plasma yang memancarkan sinar-X yang, seterusnya, diserap oleh pelet. Pelet kemudian memampatkan dengan cara yang sama seperti 'pemanduan terus'. Dibandingkan dengan peranti pemacu langsung, pendekatan pemacu tidak langsung adalah jauh kurang efisien. Tetapi kerana bom termonuklear menggunakan teknik yang serupa, teknik pemacu tidak langsung digunakan dalam simulasi senjata nuklear. 

Untuk menghasilkan elektrik daripada ICF, pelet bahan bakar dijatuhkan ke dalam ruang reaksi vakum di mana ia dinyalakan. Radiasi dari plasma dan neutron fusi diserap oleh litium cecair. Haba yang dihasilkan digunakan dalam penjanaan wap konvensional dan tritium dihasilkan untuk dikitar semula sebagai bahan bakar baru.

Fusi mempunyai potensi untuk menghasilkan jumlah tenaga yang besar daripada hanya sedikit bahan bakar — hanya sekitar 250kg setahun dalam reaktor komersial — setelah pencucuhan yang berterusan dicapai. 

Kelebihan utama penggabungan adalah kelimpahan bahan bakar berbanding dengan sumber hidrokarbon, ketiadaan produk sampingan berbahaya seperti gas rumah kaca, dan keselamatan intrinsiknya berbanding dengan pembelahan nuklear. 

Dibandingkan dengan pembelahan, fusi nuklear mempunyai kelebihan tambahan: 

• Walaupun reaksi fusi melepaskan neutron yang berbahaya kepada manusia, neutron-neutron ini terkandung dan pengeluaran neutron berhenti hampir sebaik sahaja loji ditutup.  
  
• Fusi secara semula jadi lebih selamat kerana tiada reaksi berantai, larian tidak terkawal, atau pencairan.
  
• Fusi menghasilkan suhu yang ekstrem tetapi jika ada plasma yang terlepas, maka haba akan cepat hilang tanpa menyebabkan bahaya.
  
• Neutron boleh mengion secara tidak langsung tetapi mudah dihentikan.
  
• Walaupun penggabungan nuklear menghasilkan sisa radioaktif, radioaktiviti ini adalah jangka pendek — terutamanya jika dibandingkan dengan sisa yang dihasilkan oleh pembelahan. Ini termasuk kapal pengeboman neutron.  
  
• Sisa yang dihasilkan melalui fusi tidak perlu diangkut untuk pelupusan, penyimpanan atau pemprosesan semula.
  
• Tritium mereput melalui zarah beta yang sangat lemah, jadi isotop ini bukanlah bahaya radiasi luaran. Walau bagaimanapun, tritium boleh menimbulkan bahaya radiasi dalaman jika wap air tritiated dihirup atau diserap melalui kulit. Pada masa yang sama, tritium diserap oleh badan dengan kurang kuat, sama ada melalui paru-paru atau kulit.

Keperluan vakum dalam reaktor fusi bergantung kepada jenis pengekangan dan saiz reaktor.

Keperluan terbesar untuk vakum dalam pengekangan magnetik adalah di ruang vakum pusat dan ruang kriostatik sekitarnya. Ini boleh melebihi 100 m³ yang mesti berada di bawah UHV (sekitar 10^-9 mbar) untuk mengelakkan pencemaran plasma. 

Vakuum juga diperlukan untuk pengeluaran tritium, mengepam helium dan pengulangan bahan bakar. Dalam kes pemadaman kekuatan inersia, semua garis laser atau pancaran zarah mesti dikosongkan bersama dengan ruang reaksi. Seperti dengan pengekangan magnet, ini boleh menjadi volum yang sangat besar yang memerlukan UHV untuk mengelakkan kerugian dan penyimpangan dalam sinar. Pam turbomolekul dan kriogenik adalah yang paling biasa digunakan dan mereka mesti dapat mengatasi puncak radiasi yang terlokalisasi dan medan magnet yang tinggi. Kebimbangan yang sama juga berlaku untuk set pam utama, pengukur dan injap.

1. Mengosongkan bekas reaksi itu sendiri ke UHV: diperlukan untuk mengeluarkan spesies gas yang lebih besar dan mencegah pencemaran plasma.
   
2. Kriogenik (kriostat): sistem penyejukan itu sendiri memerlukan vakum.
   
3. Pengeluaran tritium: tritium biasanya dihasilkan dengan cara bertembung neutron dengan litium yang memerlukan vakum dan pam untuk gas penyejuk. Neutron juga dihasilkan daripada reaksi fisi atau pemecut linear yang kedua-duanya memerlukan vakum untuk beroperasi.
   
4. Pemanasan plasma:vakum diperlukan dalam sistem suntikan pancaran neutral untuk memanaskan plasma
   
5. Ujian vakum: peralatan diuji di bawah vakum dan menggunakan alat seperti rig pengeluaran gas dan pengesan kebocoran.
   
6. Pengukur tekanan dan instrumen: untuk memantau prestasi peralatan dan proses
   
7. Penyejukan: pam diperlukan untuk helium yang digunakan untuk menyejukkan superkonduktor
   
8. Pengulangan semula: bahan bakar dan helium yang tidak digunakan dipam dari ruang, dipisahkan dan dikitar semula
   
9. Bahan bakar fusi: pam yang kuat diperlukan untuk menyuntikkan bahan bakar fusi ke dalam ruang.

1. Mengevakuasi ruang sasaran ke UHV: diperlukan untuk mengeluarkan spesies gas yang lebih besar dan mencegah pencemaran plasma
   
2. Sistem penentuan sasaran: sistem yang digunakan untuk menyasarkan laser pada bahan bakar memerlukan vakum
   
3. Vakuum garis pancaran: beberapa garis pancaran digunakan untuk laser dan semuanya perlu berada di bawah vakum.
   
4. Penapis spatial: penapis spatial digunakan untuk ‘membersihkan’ sinar laser dan berfungsi di bawah vakum
   
5. Pengukur tekanan dan instrumen: untuk memantau prestasi peralatan dan proses

Salah satu keperluan utama untuk pam vakum adalah keupayaan untuk mengendalikan tritium. Ini bermakna bahawa meterai logam adalah pilihan yang lebih baik dan pam harus bebas daripada hidrokarbon.

Dalam kes pengekangan magnet, pam juga mesti dapat beroperasi di bawah medan magnet yang tinggi dan perlindungan sering diperlukan. Ruang di sekitar bilik reaksi sangat terhad dan penutupan operasi adalah sangat mahal, jadi pam mesti mempunyai jejak kecil dan amat boleh dipercayai dengan keperluan penyelenggaraan yang minimum.

Terdapat perdebatan mengenai bila keuntungan tenaga bersih daripada fusi akan dicapai, dengan anggaran optimis mengatakan 10–20 tahun.

Menyokong optimisme ini adalah fakta bahawa projek penggabungan di seluruh dunia telah mula memecahkan rekod. Para saintis di Joint European Torus, misalnya, baru-baru ini telah "menghasilkan denyutan tenaga berterusan tertinggi yang pernah dicipta" dengan teknologi fusi. 

Satu lagi eksperimen fusi terkini, kali ini datang daripada penyelidik di Makmal Kebangsaan Lawrence Livermore, mencapai hasil lebih daripada 1,3 megajoule (MJ) — satu langkah penting ke arah mencapai pencucuhan fusi. 

Walaupun 10–20 mungkin kelihatan seperti waktu yang lama, industri fusi sedang berkembang dengan pesat. Tanda kematangan, perkhidmatan pihak ketiga mula muncul, seperti ARPA–E, sebuah agensi yang bertujuan untuk menyediakan diagnostik bebas untuk projek fusi. 

Beberapa reaktor baru juga dirancang, dengan beberapa syarikat permulaan mencari 'jalan yang lebih cepat ke arah fusi'. Satu projek yang menjanjikan adalah ITER, sebuah reaktor gaya tokamak yang sedang dibina (yang terbesar di dunia) yang bertujuan untuk menghasilkan 10 kali ganda lebih banyak tenaga daripada yang digunakannya. Salah satu matlamat ITER adalah untuk memimpin jalan bagi DEMO, sebuah prototaip untuk reaktor fusi komersial. 

Di 18 negara, terdapat lebih daripada 50 peranti fusi sama ada sedang beroperasi atau sedang dibina. Beberapa peranti yang dibiayai secara peribadi juga sedang dibangunkan. Setakat ini, hanya satu peranti fusi yang menggunakan tritium disebabkan bekalan yang terhad. Kos sebuah kemudahan kerja berbeza dari $100 juta hingga lebih $20 bilion.

Pada masa ini, tiada kemudahan penggabungan yang menghasilkan keuntungan tenaga bersih. Tetapi kerana ketumpatan tenaga bahan bakar penggabungan adalah lebih tinggi daripada fisi, dan sekitar 10,000,000 kali ganda daripada bahan bakar fosil, teknologi ini menjanjikan untuk membentuk semula masa depan pengeluaran tenaga.