PRINCIP PRINCIP TERMOJADERNÉ TERMOJADERNÉ FÚZE FÚZE
Jaderná fúze je jaderná reakce, při které se spojením jader atomů lehkých prvků vytvoří nové, těžší jádro jiného prvku. NEUTRON DEUTERIUM ENERGIE
HELIUM
TRITIUM
Kdybychom zvážili obě jádra před reakcí a pak zvážili produkty reakce, zjistili bychom váhový úbytek hmoty m. Tato chybějící hmota se podle známého Einsteinova vzorce
E = m .c2 proměnila v energii. Vzhledem k tomu, že rychlost světla c je velké číslo (300 000 kms-1), lze se snadno přesvědčit, že roční spotřeba primární energie České republiky (kolem 50 milionu toe, 1toe -ropný ekvivalent = 11,63MWh) by byla pokryta přeměnou 20 kg hmoty. Deuterium (těžký vodík), je obsaženo v malém množství i v obyčejné vodě. Jeho množství ve vodě našeho Máchova jezera by postačilo krýt současnou úroveň spotřeby veškeré energie v našem státě po dobu zhruba 100 let.
Základním problémem při syntéze dvou atomových 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 překonání této coulombovské bariéry lze využít energii 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. Tento způsob zažehnutí fúzní reakce se jeví keV, zatím jako Tato energie představuje několik desítek jediný vážný kandidát na zdroj energie. K. čemuž odpovídá teplotavyužitelné řádově 108fúzní Při teplotách stovek miliónů Kelvinů už hmota existuje jen ve stavu plně ionizovaného plynu, tj. ve směsi holých atomových jader a volných elektronů neboli plazmatu.
Nyní se ještě 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. Pro některá důležitá jádra je tato energie vyčíslena v následující tabulce:
Fúzní reakce se ziskem energie Jaderná reakce p p p D D D D T T
+ + + + + + + + +
p D n D D T 3 He p p
Energ. zisk [MeV] 0,42 D + e+ + ν 3 He+ 5,50 D+ 2,26 3 He + n 3,27 p+T 4,03 4 He + n 17,60 4 He + p 18,35 4 He + … 19,70 4 He + … 17,60
Jaderná reakce T + T 6 Li + n 6 Li + p 6 Li + D 7 Li + p 7 Li + p 7 Li + D 7 Li + D 11 B + p
2
He + n + n 3 H + 4He 3 He + 4He 4 He + 4He 4 He + 4He 8 Be+ 4 He + 5He 8 Be + n 3 4He
Energ. zisk [MeV] 11,30 4,80 4,00 22,40 17,30 17,20 14,20 15,00 8,70
Z hlediska současného výzkumu se největší pozornost věnuje syntéze jader deuteria a tritia ( D + T ) , neboť je nejméně náročná, pokud jde o ohřev a udržení plazmatu. Právě tato reakce je pro svoji relativně nejsnadnější uskutečnitelnost považována za jediný reálný proces pro termonukleární reaktory první generace a téměř všechny úvahy o těchto systémech vycházejí z jejího využití. Teprve v dalších následných generacích fúzních zařízení se eventuálně předpokládá využití reakcí na bázi D+D nebo 11B+H, tedy procesů v mnoha směrech nesporně výhodnějších.
Palivem pro reakci D + T jsou izotopy vodíku: deuterium D (tzv. těžký vodík) a tritium T (tzv. supertěžký vodík). Tritium je izotop radioaktivní a vzhledem ke krátkému poločasu rozpadu ( T1/2 = 12,262 roků ), se v přírodě volně téměř nevyskytuje.
Deuterium se bude získávat separací z vody, v níž tvoří frakci ~3,3×10-5, zatímco tritium bude možno získat z lithia pomocnou jadernou reakcí pri zachycování neutronů v plášti termojaderného reaktoru: 6Li
+ n à 4He + T + 4,6 MeV nebo 7Li + n à 4He + T + n - 2,47 MeV ( poměr výskytu izotopů 6Li : 7Li je 7,5 : 92,5 ) Lithium se v dostatečné míře vyskytuje v zemské kůře, ~6×10-3 %, a je také obsaženo v mořské vodě, ~170 mg.l-1.
Lawsonovo kriterium Při teplotách řádově stovek milionů stupňů jsou atomy plně ionizovány, mluvíme tedy o plazmatu. Částice v plazmatu ztrácejí svoji energii především brzdným zářením a transportem energie na stěny nádoby, v níž plazma vytváříme a držíme. Specifická vazbová energie jako funkce nukleonového čísla :
Izotop
Energie [MeV]
2
H
1,11
3
H
2,83
3
He
2,57
4
He
7,07
6
Li
5,33
7
Li
5,60
56
Fe
8,79
235
U
7,59
Z energetické bilance procesu plyne podmínka pro udržení fúzní reakce, tzv. Lawsonovo kriterium, tj. součin hustoty plazmatu, jeho teploty a doby udržení energie musí být větší než určitá kritická hodnota.
Nejdůležitější syntézy, které mohou mít praktický význam a jejich porovnání s jinými reakcemi: D + D à 3He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) Ohřev plazmatu minimálně na : 35 keV Energetický výtěžek: 27 kWh*g-1 D + D à T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) Ohřev plazmatu minimálně na: 35 keV Energetický výtěžek: 22 kWh*g-1 D + 3He à 4He (3,5 MeV) + p (14,67 MeV) Ohřev plazmatu minimálně na: 30 keV Energetický výtěžek: 94 kWh*g-1 D + T à 4He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) Ohřev plazmatu minimálně na: 4 keV Energetický výtěžek: 98 kWh*g-1 ------------------------------------------------Štěpení uranu 235U Energetický výtěžek: 24,000 kWh*g-1 Hoření vodíku 2H2 + O2 à 2H2O Energetický výtěžek: 0,0044 kWh*g-1
ZAŘÍZENÍ ZAŘÍZENÍ PRO PRO TERMOJADERNOU TERMOJADERNOU FÚZI FÚZI První pokusy o zažehnutí termojaderné fúze v pozemských podmínkách spadají do poloviny třicátých let minulého století, kdy E. Rutheford a J. Douglas dosáhli na urychlovači energie, potřebné k uskutečnění první reakce syntézy jader deuteria za vzniku izotopu helia a neutronu (1934).
Mohlo by se tedy zdát, že tento relativně jednoduchý experiment vyřešil problém fúze. Urychlovač se však nedá použít jako zdroj energie pro fúzní reakci, neboť je-li svazek deuteronů namířen například na terčík z pevného tritia nebo deuteria, většina energie se ztratí ionizací, 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 urychlování.
O deset let později vědci pracující na štěpení atomových jader po konstrukci prvních atomových bomb s uranem a plutoniem vyvinuli i termojadernou bombu vodíkovou. Tedy bombu pracující v konečném důsledku na neřízené termojaderné syntéze. První byl E. Teller v USA, o něco později I. V. Kurčatov v SSSR.
„Ostrov Elugelab odpařen ...“ Těmito slovy zahájilo lidstvo využití jaderné syntézy. Toto „miniaturní Slunce“ po svém výbuchu zanechalo kráter, který by pojmul několik komplexů budov Pentagonu, na hloubku by se v něm pohodlně schovala Empire State Building. První vodíková bomba Mike měla ekvivalent 10,4 Mtun TNT ( 10,4 milionů tun tritolu!) Jednalo se o kanistr o délce 22 stop (6.7 m) a o průměru 5 stop (1.5 m) naplněný tekutým vodíkem. Vše bylo obaleno atomovými rozbuškami.
31. října 1952 – 1. termojaderná syntéza
Video:
První H-bomba : MIKE
10,4 Mtun
31. 10. 1952 Pozorováno ze vzdálenosti 40 mil.
POROVNÁNÍ CHEMICKÉ
A
JADERNÉ ENERGIE
CHEOPSOVA PYRAMIDA
DNEŠNÍ ROZMĚRY: základna 230,4 m x 230,4 m a výška 138 m. OBJEM: 230,4 x 230,4 x 138 / 3 = 2 440 000 m3.
VÝBUŠNINA TNT(TRITOL) MÁ HUSTOTU:
1,654 t/m3
CHEOPSOVA PYRAMIDA POSTAVENÁ Z TNT BY MĚLA HMOTNOST: 2 440 000 x 1,654 = 4 035 760 t = 4 Mt
PRVNÍ FÚZNÍ JADERNÁ BOMBA (USA, 1952)
MĚLA CHEMICKÝ EKVIVALENT: 10,4 Mt TNT tzn.
2,6 CHEOPSOVÝCH PYRAMID Z TRITOLU
Pro mírové a praktické účely však bylo nutno energii uvolňovat pozvolna a plynule. Protože neexistuje materiál, z něhož by bylo možno vyrobit nádobu na odolávající styku s horkým plazmatem, vznikla myšlenka využít přítomnost elektricky nabitých částic a pokusit se udržet a tepelně izolovat horké plazma magnetickým polem. Nezávisle na sobě, pochopitelně ze strategických důvodů i v tajnosti, pracovaly týmy v SSSR, USA a v Anglii.
Zde si připomeňme jména J. Tamma, A. D. Sacharova, program ústící v koncepci tokamaku L. A. Arcimoviče a teoretika M. A. Leontoviče, R. F. Posta z Kalifornské univerzity, který rozvíjel metodu magnetických pastí, L. Spitzera, který navrhl r. 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 r. 1956 se výzkumy odtajnily a rozvinul se široký mezinárodní výzkumný program.
Dnes můžeme realisticky konstatovat, že jaderná fúze je perspektivní energetický zdroj, jehož praktické využití se ale očekává někdy kolem r. 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 již takové rychlosti, ve které srážky vyvolávají fúzi. Mezi zástupce této koncepce patří tokamaky, stelarátory, theta a Z-pince, kompresní linery, zrcadlové nádoby, torzatrony...
U inerciálního udržení je základem extrémně rychlý ohřev fúzního paliva, vedoucí ke vzniku fúzních reakcí uvolňujících energii dříve, než síly působící na atomové a subatomové částice rozptýlí reagující hmotu. U koncepce, která se předpokládá pro aplikaci k výrobě energie, se drobná tableta zmrazeného vodíku spustí do komory, v niž je prudce zasažena pulzem 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 (~2 ns), než tableta exploduje. K využití této metody jako energetického zdroje je zapotřebí nepřetržitá řada takových aktů v krátkých intervalech. Toho by se dosahovalo pomocí laseru, nebo také svazky těžkých či lehkých iontů. Doposud však natolik výkonné lasery nebyly zkonstruovány.
FÚZNÍ REAKTOR TOKAMAK aa
STELARÁTOR Koncepce tokamaku se zrodila koncem padesátých let v tehdejším Sovětském svazu a u jeho zrodu stál L. A. Arcimovič.
Je to v podstatě transformátor, jehož sekundární cívka má jeden závit ve tvaru toroidní trubice. Plazma z deuteria a tritia se nachází uvnitř toroidního dutého vyvakuovaného prstence. Elektrický proud primárního obvodu transformátoru indukuje elektromotorické napětí v sekundárním obvodu. V plynu D+T v toroidní trubici vznikne výboj, plyn se ionizuje a indukovaný proud jej zahřívá na vysokou teplotu. Magnetické pole tohoto proudu udrží vzniklé plazma v ose toroidu, takže se nedotýká stěn komory. Díky magnetickému poli se tepelné zatížení stěn sníží na technologicky zvládnutelnou hodnotu, a tak se předpokládá chlazení stěn na teploty 1000 - 1300 °C.
Rozměry reaktoru a jeho výkon závisí obyčejně na vlastnostech materiálů, které tvoři plášť reaktoru, nikoli na vlastnostech plazmatu. Předpokládá se, že elektrický výkon těchto reaktorů by byl 2-3 GW.
Právě ve způsobu vytváření magnetického pole se liší tokamak a stelarátor. Zatímco tokamak si stabilizující účinky na plazma vytváří mohutným elektrickým proudem (magnetickým polem) indukovaným v plazmatu na principu transformátoru, stelarátor si vystačí pouze s vnějšími cívkami složitých tvarů.
Stelarátor tedy, na rozdíl od pulzního režimu v tokamaku, může udržovat plazma “libovolně” dlouho.
Další podrobnosti např.: http://www.ornl.gov/sci/fed/stelnews/world_stellarators.html
Ukázky složitosti tvarů cívek
Tokamak
pracuje v pulzním režimu. Do vyčerpané prstencové vakuové nádoby se napustí pracovní plyn s hustotou částic 1018 - 1021 m-3. Proudem tisíců až milionů amperů se plyn zahřeje do teplot odpovídající energii 1-2 keV. K dosažení potřebné teploty ( okolo 10 keV ) je potřeba použít doplňkový ohřev: např. ohřev absorpcí elektromagnetické iontové cyklotronové vlny, ionty, ohřev cyklotronní elektronovou rezonancí, vstřikováním neutrálního svazku – také pro dodání paliva, ohřev parametrickými vlnami - využitím intenzivních mikrovlnných nebo infračervených laserových svazků.
Mělo by se totiž vyrábět a pak provozovat něco, co tu zatím nikdy nebylo. Supravodiče nebývalých rozměrů a množství a s tím spojená kryogenika, nesmírně mechanicky a tepelně namáhané součásti o hmotnosti tisíců tun, použití materiálů v nikde se doposud vyskytujících extremních podmínkách, bezpečné tritiové hospodářství atd.
Video:
Mírové využití fúzní energie
Na největším světovém tokamaku JET ( Joint European Torus, Culham, Evropská unie ) bylo v r. 1997 uvolněno po krátkou dobu 16 MW termojaderného výkonu.
Na základě úspěchů projektu JET byl naplánován další krok – supravodivé zařízení ITER ( International Thermonuclear Experimental Reactor, EU, Japonsko, Rusko a možná i USA ).
