Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 18 – vyšlo 5. května, ročník 1 (2003)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Z-pinč fúze, konec světa oddálen?

Václav Kaizr

Poslední dobou ve vědě došlo k zásadním objevům, které nás spíše utvrzovaly o jisté apokalypse než o světlých zítřcích. Avšak je tu jeden, který by mohl pomoci lidstvu z jisté nepříjemnosti. Tím myslím energetickou krizi. Není to tak dávno, co proběhla operace na pomoc utlačovaným a terorizovaným obyvatelům středního východu. Objevili se i takové názory, že hlavním důvodem je ropa. Proč ropa? Ropa je energie, a té není nikdy dost, respektive brzy nebude žádná, jestliže ...

Následuje moje otázka: Dovedete si život představit bez elektrické energie? A tím nemyslím pouze víkend v přírodě pod stanem. Lidstvo ke svému rozvoji (i existenci!) potřebuje elektrickou energii. Odhad energetických zásob je následující: ropa 50 let, zemní plyn 60 let, uhlí 300 let atd. Obnovitelné zdroje pokryjí pouze nepatrné procento spotřeby energie a jejich masivní zavedení naráží na principiální problémy [D. Silhan]. Dalším způsobem získání elektřiny jsou jaderné elektrárny. Pominu-li debaty o bezpečnosti či ekologické zátěži pro životní prostředí, jde o jediný plně funkční dlouhodobější zdroj elektrické energie, který lidstvo dokázalo zkonstruovat. Je tu však ještě jedna šance pro lidstvo: Termojaderná fúze.

Fúze kontra štěpení

Jaderná fúze je jaderná reakce, při které se spojením jader lehkých prvků vytvoří nové těžší jádro za současného uvolnění energie. K tomu je třeba, aby se dvě lehká jádra k sobě přiblížila na dosah jaderných sil, kdy se pravděpodobnost průniku bariérou odpudivých coulombovských sil tunelovým jevem značně zvětší a může dojít k jejich sloučení.

Reakce	Minimální potřebný ohřev	Energetický výtěžek
D+D → ³He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV)	35 keV	27 MWh/g
D+D → T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV)	35 keV	22 MWh/g
D+³He → ⁴He (3.5 MeV) + p (14.67 MeV)	30 keV	94 MWh/g
D+T → ⁴He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)	4 keV	98 MWh/g
Štěpení U235		24 MWh/g
Hoření vodíku H₂+O → H₂0		4.4 Wh/g

Tab. 1: Typy reakcí vhodných pro fúzní reakci. Pro srovnání je na konci
tabulky uvedena jedna štěpná a jedna chemická reakce

Obr. 1: Princip termojaderné fúze.

Štěpení je naopak jaderná reakce, při které dojde k rozdělení jádra uranu. Existuje několik druhů jaderných reaktorů, pracujících již více než 50 let. Základním principem je reakce

U235 + n → U236 → štěpení → Y1 + Y2 + k·n

Důležitý je střední počet k neutronů emitovaných při jednom aktu štěpení U236 (k = 2.47), případně na jeden záchyt neutronu pro U235 (k = 2.08).

Obr. 2. Vazební energie jádra. Energii lze uvolnit slučováním
lehkých jader (fúzí) nerbo štěpením těžkých jader.

Obr. 3: Produkty štěpení uranu U235. Závislost jejich produkce na hmotnostním čísle.

Z mnoha různých hledisek je termojaderná fúze pro získávání energie výhodnější než štěpení. "Odpad" je neškodný, účinnost reakce vyšší, zásoby paliva jsou téměř neomezené, atd. Zdá se, že jediným, ale podstatným problémem je udržení látky s parametry vhodnými pro fúzi po dostatečně dlouhou dobu.

Termojaderná fúze

Termojaderná fúze je pokus o zatím "nejlepší" získaní energie z hmoty. Tak jako ve většině případů si lidstvo bere vzor v přírodě. Termojaderná fúze probíhá ve všech hvězdách a jak se každý může přesvědčit, funguje skutečně úspěšně. Existují dva způsoby, jak se vědci snaží připravit jadernou fúzi na Zemi. Jedním z nich je magnetické udržení a druhým je tzv. inerciální udržení. Parametry pro zažehnutí termojaderné fúze jsou:

magnetické udržení: teplota 10⁸ K, hustota 10²⁰ m⁻³
inerciální udržení: teplota 10⁸ K, hustota 10²⁸ m⁻³

Oba tyto způsoby potřebují ještě dostatečný čas k zažehnutí, což je bohužel velice obtížně splnitelné, neboť se projevují nestability, které brání spuštění reakce.

Magnetické udržení: Nejznámějším představitelem magnetického udržení plazmatu je TOKAMAK. Je to zařízení prstencového tvaru (Obrázek 4) s toroidálním magnetickým polem, v němž je plazma stabilizováno poloidálním polem vytvářeným proudovým impulsem v samotném plazmatu. Prstenec plazmatu tvoří sekundární závit obrovského transformátoru. Toroidální proud tekoucí plazmatem má tři funkce: stabilizuje plazma, v důsledku jevu pinče ho izoluje od stěn a zároveň ohmicky zahřívá.

Obr. 4: Vnitřní část tokamaku.

Dalšími představiteli tohoto principu udržení plazmatu jsou stellarátory, theta a Z−pinče, kompresní linery, zrcadlové nádoby, torzatrony...

Inerciální udržení:

Obr. 5: Postup zažehnutí termojaderné fúze
při inerciálním udržení plazmatu.

Z Obrázku 5 je patrné, na jakém principu pracuje inerciálni udržení. V první fázi dochází k ohřevu terče, pulsy záření (světla, rentgenové záření, proud iontů) velice rychle ohřejí kapsli o velikosti hrášku. V další fázi nastává komprese paliva. Jestliže dojde k zhuštění na úroveň dvacetinásobku hustoty olova a je dosaženo teploty okolo 100 milionů stupňů, dojde k očekávané reakci. Celková energie získaná na jeden cyklus se rovná energii uvolněné při spálení 15 kilogramů uhlí. Existují tři způsoby inicializace paliva: přímé, nepřímé a těžkými ionty. Terčík s palivem (deuterium, tritium) je uložený v kapsli z plastiku o průměru cca 3 mm. Přímý ohřev je realizován tak, že kapsle je ve středu laserových paprsků (Obrázek 6a). U nepřímého ohřevu je kapsle ohřívána až následným rentgenový zářením, které vznikne při bombardování kovového válečku (Obrázek 6b), obdobný způsob je i u ohřevu těžkými ionty (Obrázek 6c).

Obr. 6: Principy ohřevu kapsle.

Současnost

Začátkem dubna na konferenci American Physical Society ve Philadelphia (USA), bylo oznámeno, že v Sandia National Laboratories se podařilo na Z−aparatuře vyrobit tak horké plazma, že produkovalo termonukleární neutrony. Produkce těchto neutronů je důkazem termojaderné fúze. Funkce Z−aparatury je následující. Jedná se o "Z−pinč", ve kterém se elektrickým proudem ohřívá sada wolframových drátků do doby než explodují a vytvoří plasma s válcovou konfigurací, které kolabuje vlivem vlastního magnetického pole. Pinčující plazma produkuje rentgenové záření vysoké intenzity, které dopadá na povrch kapsle obsahující deuterium. Rentgenové záření způsobí rázovou vlnu a ta zahřeje a stlačí deuterium až do okamžiku fúze.

Obr. 7: Z−aparatura v okamžiku výstřelu.

V Z−aparatuře (Obrázek 7) je válcovitá nádoba, která má v průměru 36 metrů. Potvrzení realizace fúze se provádí měřením neutronů. Jak ale můžeme vědět, že jsou to skutečně neutrony uvolněné při fúzi? To byl důvod proč s ohlášením objevu čekali vědci až do letošního dubna. Při ověřování experimentu byl do kapsle ještě přidán xenon. Plyn zabezpečil kapsli před zahřátím během komprese. To způsobylo pokles výtěžku neuronů přesně podle předpovědi.

Fúzní program uskutečňovaný v Sandia Labs je řízený společností Sandia Corporation, Lockheed Martin Company pracující pro United States Department of Energy’s National Nuclear Security Administration s hlavním sídlem v Albuquerque, N.M. a v Livermore, Kalifornie. Vědci pracující v Sandia labs, kteří vedou tento výzkum jsou: Jim Bailey, Gordon Chandler. Teoretické modely a výpočty provádí Steve Slutz. Zařízení na měření neutronů vyrobil Gary Cooper z univerzity v Novém Mexiku.

Obr. 8: Poměr mince a kapsle s deuteriem.

Na Obrázku 8 je vyobrazena používaná plastiková kapsle s deuteriem na pozadí jednocentové mince. Kapsle je umístěna uprostřed a její skutečný průměr je 2 mm. Uvnitř kapsle jsou jasně patrné bílé tečky tzv. "hot spots", které produkují rentgenové záření. Šedivý obrázek vpravo dole na minci je ta samá kapsle, ale nyní 7× zmenšená, vidět je zářící jádro. Tým tamějších vědců odhaduje počet vyprodukovaných neutronů na 10 miliard což odpovídá energii okolo 4 mJ.

Budoucnost

Několik vět závěrem. Podle mínění fyziků z Sandia Labs je výše uvedená fúze předzvěst řešení problému energetické krize a komerčního využití fúze. Na Obrázku 8 je znázorněn vývoj v uplynulých letech. Již za dva roky by se ve Spojených státech měl uskutečnit stejný experiment s obdobným, ale daleko větším zařízením. Jeho zkonstruování si vyžádá náklady 60 milionů dolarů.

Obr. 9: Vývoj v uplynulých letech.

„Kdyby se podařilo zkonstruovat zařízení na využití termonukleární fúze, mohl by se z tekoucí vody o průtoku 12 litrů za sekundu získávat stejný výkon jako mají všechny elektrárny v USA“, napsal svého času Richard Philips Feynman.

Tento projekt byl podporován výzkumným programem No J04/98:212300017 ”Research of Energy Consumption Effectiveness and Quality” ČVUT v Praze, výzkumným programem INGO No LA 055 ”Research in Frame of the International Center on Dense Magnetized Plasmas” a výzkumným centrem ”Research Center of Laser Plasma” LN00A100 MŠMT ČR.

Odkazy