Termonukleární fúze v tokamacích
V současné době se rozvoj naší civilizace dotýká nejen celé lidské společnosti, ale i všeho života na třetí planetě sluneční soustavy, honosně nazývané Země. Vliv lidského faktoru na zemský ekosystém je dnes natolik velký, že každý neuvážený zásah lidské činnosti může zapříčinit katastrofu. Bylo by tedy ideálním řešením veškerý pokrok odvrhnout a vrátit se o několik staletí či tisíciletí zpět? Nikoli! Na druhou stranu si musíme uvědomit, že jakýkoli technický pokrok vede zákonitě k nárůstu spotřeby energie, jejíž produkce se v tak masovém měřítku neobejde bez vlivu na životní prostředí. Ocitáme se tedy v začarovaném kruhu, z něhož, jak se zdá, není východiska. Ale opravdu je tomu tak? Položíme-li si otázku, zda dnes existují elektrárny vyrábějící elektřinu odpovídající současným energetickým potřebám průmyslu a zároveň neznečišťující okolní prostředí, musíme si popravdě odpovědět, že nikoliv. Výhled do blízké budoucnosti nás však přivádí k řešení v odborných kruzích nazývanému termojaderná fúze...
Píše se polovina třicátých let
, E.Rutheford a J.Douglas dosahují na urychlovači energie jader deuteria dostatečné k uskutečnění první reakce jaderné syntézy za vzniku izotopu helia a neutronu(1934).Mohlo by se zdát, že takovýto jednoduchý experiment vyřešil problém fúze, ale dá se ukázat, že se urychlovač nedá použít jako zdroj fúzní energie, neboť je-li svazek deuteronů namířen například na terčík z pevného tritia nebo deuteria, většina energie se ztratí ionizací a ohřátím terčíku a elastickými srážkami. Rovněž srážející se svazky nelze vytvořit tak husté, aby získaná energie z termojaderné reakce byla větší než energie potřebná pro urychlení.
O deset let později vědci pracují na štěpení uranu a po konstrukci prvních atomových bomb s uranem a plutoniem vyvinuli v USA i termojadernou bombu vodíkovou(E.Teller), následovány Sovětským svazem (I.V.Kurčatov). Pro mírové účely však bylo nutno energii uvolňovat pozvolna a plynule. Protože horké plazma nelze udržovat v nádobě z žádného materiálu, naskytla se myšlenka využít přítomnosti elektricky nabitých částic a pokusit se udržet a tepelně izolovat horké plazma magnetickým polem. Nezávisle na sobě, v tajnosti, pracovaly týmy v Sovětském svazu, USA a Anglii. Zde zmiňme jména J.Tamma, A.D.Sacharova, program ústící v koncepci tokamaků L.A.Arcimoviče a teoretika M.A.Leontoviče, R.F.Posta z Kalifornské univerzity, který rozvíjel metodu magnetických pastí, L.Spitzera, který navrhl v roce 1951 koncepci stelarátoru, a A.S.Bishopa, koordinátora amerického programu řízené termojaderné syntézy s krycím názvem Sherwood. V Harwellu v Anglii pracoval mladý fyzik australského původu P.Thoneman, který stál u zrodu zařízení s prstencovým výbojem ZETA. Od konference v Harwellu roku 1956 se výzkumy odtajnily a rozvinul se široký mezinárodní výzkumný program. Ale i přes mezinárodní spolupráci v této oblasti se optimistické předpovědi o průmyslovém využití fúzní energie v blízké budoucnosti nesplnily.
Dnes můžeme střízlivě konstatovat, že jde o perspektivní energetický zdroj, jehož praktické využití se očekává kolem roku 2030.
Předmětem současného výzkumu jsou dvě zásadně odlišné koncepce obvykle označované jako magnetické udržení a inerciální udržení.
Magnetické udržení spočívá v takové konfiguraci magnetického pole, aby většina nabitých částic sledovala vhodně zakřivené magnetické siločáry, a tak nepřicházela do styku se stěnami komory, v níž se plazma vytváří. Ohřev pak musí pokračovat tak dlouho, dokud tepelný pohyb částic nedosáhne oblasti rychlostí, ve které srážky vyvolávají fúzi. Mezi zástupce této koncepce patří tokamaky, stellarátory, theta a Z-pinče, kompresní linery, zrcadlové nádoby, torzatrony...
U inerciálního udržení je základem extrémně rychlý ohřev fúzního paliva, vedoucí ke vzniku energii uvolňujících fúzních reakcí, dříve než síly, jež působí na atomové a subatomové částice způsobí, že se reagující hmota rozptýlí. U koncepce zaměřené na energetické účely se drobná tableta zmrazeného vodíku spustí do komory, v níž je prudce zasažena pulsem energie laseru, fokusované na tabletu z několika směrů. Tímto rychlým ohřevem povrchu vznikne implozní rázová vlna, která vyvolá ohřev a zhutnění středu tablety až do dosažení podmínek termonukleární syntézy. Fúzní energie se vytvoří v nepatrném zlomku sekundy (~ ns), než tableta exploduje. K využití této metody jako energetického zdroje je zapotřebí nepřetržitá řada takových aktů v krátkých intervalech. To se dosahuje pomocí laserů, elektronovými svazky a také svazky těžkých či lehkých iontů.
|  |
Co to ale vlastně je termojaderná fúze ?
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.
Základním problémem při syntéze dvou jader je jejich vzájemné odpuzování vyvolané kladným nábojem obou jader. Při pohybu jader proti sobě s dostatečnou energií je lze přiblížit natolik, že jaderné síly s malým dosahem(~10
-15 m), které zabraňují rozpadu jádra, překonají coulombické odpudivé síly a umožní reakci syntézy.Na pře konání bariéry lze využít energie například z chaotického tepelného pohybu. Pak mluvíme o tzv. termojaderné fúzi, při níž zahříváme termojaderné palivo na takovou teplotu, aby kinetická energie tepelného pohybu jader stačila na "překonání" potenciální bariéry. Tato energie představuje několik desítek keV, čemuž odpovídá teplota řádově 100*106 K. Při teplotách stovek miliónů kelvinů už látka existuje jen ve stavu plně ionizovaného plazmatu, to je směsi holých atomových jader a volných elektronů, neboli čtvrtého skupenství hmoty. Tento způsob zažehnutí fúzní reakce se v současné době jeví jako jediný vhodný kandidát na zdroj využitelné fúzní energie.
Nyní se ještě podrobněji vraťme k fyzikální interpretaci zisku energie sloučením lehkých jader. Energetická bilance tohoto typu jaderných reakcí je dána rozdílem vazbové energie na nukleon pro různá jádra, jak ukazuje GRAF. Pro některá důležitá jádra je tato energie vyčíslena v TABULCE .
TABULKA :Specifická vazbová energie jako funkce nukleonového čísla A
|
Izotop |
2 H |
3 H |
3 He |
4 He |
6 Li |
7 Li |
56 Fe |
235 U |
|
E/A[MeV] |
1.11 |
2.83 |
2.57 |
7.07 |
5.33 |
5.60 |
8.79 |
7.59 |
Tuto závislost vazbové energie jader na nukleonovém čísle A lze popsat v rámci kapkového modelu jádra tzv. Weizsackerovou formulí(1935).
W(A, Z)=a1*A-a2*A2/3-a3*Z2/A1/3-a4*(A-2*Z)2/A+a5/A3/4
kde a1=15.75 MeV, a2=17.8 MeV, a3=0.71 MeV, a4=23.7 MeV
a parametr a5= 34 MeV pro S-S jádra, 0 MeV pro A liché, -34 MeV pro L-L jádra.
Jednotlivé členy lze vysvětlit jako objemovou, povrchovou a elektrostatickou energii nestlačitelné jaderné kapaliny, čtvrtý člen je fenomenologický a vystihuje skutečnost, že stabilní nuklidy leží na linii stability, t.j. přibližně
N=Z=A/2, a poslední člen souvisí se spinovými a izospinovými stavy systému nukleonů. Je tedy zřejmé, že energii můžeme získat buď rozštěpením těžkého jádra, nebo naopak sloučením několika lehkých jader na jádra těžší tak, aby v obou případech byla výsledná vazbová energie větší než vazbová energie do reakce vstupujících jader. Reakce, vhodné pro termonukleární procesy využitelné k produkci energie ve velkém měřítku, musí být silně exoenergetické jaderné přeměny s vysokým účinným průřezem již při poměrně nízkých energiích. Kromě toho by měly splňovat další požadavky, jako je přijatelná cena výchozích materiálů i technologií, možnost transformace energie za technicky dosažitelných podmínek, stabilita výchozích jader i produktů reakce apod. Z těchto důvodů se výzkum zúžil na několik reakcí izotopů vodíku, helia, lithia a bó ru.GRAF: Specifická vazbová energie jako funkce hmotového čísla
Nejdůležitější syntézy, které mohou mít praktický význam a jejich porovnání s jinými reakcemi:
| Reakce | Minimální teplota ohřevu | Energetický výtěžek |
| D+D ® 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) | 27.000 kWh*g-1 |
|
| D+D ® T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) | 22.000 kWh*g-1 |
|
| D+3He ® 4He (3.5 MeV) + p (14.67 MeV) | 94.000 kWh*g-1 |
|
| D+T ® 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) | 98.000 kWh*g-1 |
|
| Štěpení U235 | 24.000 kWh*g-1 |
|
| Hoření vodíku H2+O ® H20 | 0.0044 kWh*g-1 |
Je krátce po druhé světové válce. Energetické potřeby lidstva začínají uspokojovat první typy uranových jaderných reaktorů. Padesátá léta 20.století mají podtext studené války, ale vědecký pokrok se zastavit nedá, staví se první tokamaky a do budoucna se plánují termojaderné tokamakové reaktory.
Koncepce tokamaků se zrodila v Sovětském svazu a u jeho zrodu stál L.A.Arcimovič. Tokamak je prstencová komora v toroidálním magnetickém poli, v níž 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 je izoluje od stěn a zároveň ho ohmicky zahřívá.
Díky magnetickému poli se tepelné zatížení stěn sníží na technologicky zvládnutelnou hodnotu 1000-1300 ° C. Vnitřní nádoba je obklopena pláštěm z tekutého lithia, který má tyto funkce:
1. Ochlazování stěny nádoby.
2. Zajišťuje odvod podstatné části tepelné energie. Jelikož největší část energie reakce D+T (14.1 MeV z celkové 17.6 MeV) se uvolní ve formě kinetické energie neutronů, která není nejvhodnější na využití, musíme ji proto přeměnit na tepelnou energii a využít tepelný cyklus
v parní elektrárně. Jako médium pro tepelný cyklus se předpokládá sůl Li2BeF4, která se používá současně na přenos tepelné energie, tak i na zpomalování neutronů.Tekutý absorbátor neutronů je oddělen od oblasti plazmatu tzv. první stěnou. Všechna energie použitá v tepelném cyklu musí přes první stěnu přenést neutrony s vysokou energií, a proto je výběr materiálu pro první stěnu velmi důležitý. Měla by být tvořena grafitem nebo vodou obohacenou bórem, resp. z niobu, molybdenu, vanadia nebo nereznoucí oceli. V tomto obalu se zpomalují a pohlcují neutrony, které by jinak unikaly z reaktoru. Nad touto vrstvou je tepelná izolace a vrstva supravodivých cívek vytvářejících silné magnetické pole uvnitř reaktoru.3. Je místem vzniku tritia. Tritium se odděluje a odvádí do skladů nového paliva, v nichž se podchlazuje do tvaru kuliček a společně s deuteriem vstřikuje zpět do reaktoru.
Rozměry reaktoru a jeho výkon závisí obyčejně na vlastnostech materiálu, které tvoří plášť reaktoru, nikoli od vlastností plazmatu. Předpokládá se, že elektrický výkon těchto reaktorů by byl
2-3 GW.
Avšak ani v roce 1998 první zařízení těchto parametrů - ITER - ještě nebylo postaveno.
I přes nesporné výhody termonukleární syntézy, která by byla masivním zdrojem "ekologické" energie, nadále pokračuje odliv finančních prostředků z této oblasti výzkumu. Budeme si tedy i nadále zamořovat své životní prostředí spalinami ve formě oxidů síry a dusíku, radioaktivním odpadem, anebo skleníkovými plyny ?
Přes veškerou složitost ekologických problémů je proto prvořadým úkolem vyvinout již dnes maximální úsilí na snížení negativních vlivů na životní prostředí. Jednou z perspektivních cest se ukazuje využití energie jaderné fúze...
 |