Termonukleární fúze

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Schematické znázornění fúze jádra tritia a deuteria

Termonukleární reakce či termojaderná fúze je proces, při kterém dochází ke sloučení atomových jader (jaderné fúzi) za pomoci vysoké teploty či tlaku.

Během termojaderné reakce se uvolňuje velké množství energie, která je ekvivalentem hmotnostního úbytku. Proti slučování jader působí odpudivá Coulombova interakce, která například při pokojové teplotě zabraňuje dvěma jádrům s kladnými náboji přiblížit se natolik, aby se uplatnila krátkodosahová jaderná síla. Výška Coulombovy potenciálové bariéry například pro dva protony je asi 400 keV. Možnost jejího překonání roste s energií tepelného pohybu.

Termojaderná fúze v jádru Slunce[editovat | editovat zdroj]

Znázornění několikanásobné fúze ve Slunci. Obrázek 2
Znázornění pokročilé fáze jaderného slučování. Klikněte pro zvětšení. Obrázek 3

Teplota ve středu Slunce dosahuje 1,5x107 K neboli 130 keV[1] . (jednotka eV se často užívá ve fyzice plazmatu pro udání teploty). Při této teplotě již část protonů může nahodilými srážkami získat dostatečnou kinetickou energii na to, aby při srážce došlo k překonání elektrické síly a jejich sloučení. Přesto však teplota (energie) stále není dostatečná na to, aby ve Slunci mohla fúze na tomto principu probíhat všude a neustále (k tomu je potřeba teplota asi 400 keV. Energie nutná pro překonání odpudivé elektrické síly dvou protonů je obrovská, a proto takto probíhá až u větších hvězd.

Při jaderné fúzi ve Slunci se uplatňuje pravděpodobnostní charakter částic na fundamentální úrovni, což umožňuje jev zvaný kvantové tunelování. Podle kvantové mechaniky existuje v každém okamžiku jistá pravděpodobnost, v jakém místě prostoru se daná částice vyskytuje. Tu popisuje tzv. vlnová funkce. Šance, že se proton objeví v blízkosti jiného jádra dostatečně blízko tak, aby se mohla uplatnit silná jaderná síla a tím tak následně dojít ke sloučení, je sice opravdu malá, ale díky obrovskému množství částic ve Slunci může slučování probíhat prakticky nepřetržitě. Fúze se navíc vyskytuje v menší míře i na Jupiteru, což vysvětluje, proč planeta vydává o 60 % více energie, než přijímá od Slunce.[2]

Při sloučení dvou protonů se jeden z nich přemění na neutron za vzniku deutéria, neutrína, pozitronu a energie v podobě gamma záření. Toto nově vzniklé deutérium se může znovu dál na základě kvantového tunelování slučovat s protonem nebo jiným jádrem za vzniku jader těžších a uvolnění dalšího vysokoenergetického fotonu gamma (viz obrázek 2). Každou vteřinu sloučí Slunce ve svém jádru 620 miliónů tun vodíku. Přesto je jeho životnost nejméně dalších 5 miliard let. Až dojde vodík v jádře, naruší se na krátký čas hydrostatická rovnováha, což povede k tomu, že se stane červeným obrem.

Slučováním dalších jader se postupně dostaneme ke všem možným prvkům s různým nukleonovým číslem, které jsou mimo jiné esenciálním základem při formování kamenných planet a vzniku života. Všechny prvky těžší než helium tedy vznikly jadernou fúzí ve hvězdách (prvotní vodík a helium vznikly během Velkého třesku v poměru přibližně 75% vodíku:25%helia). Viz obrázek 3.

Termonukleární reakce mohou u hvězd menších spektrálních tříd trvat i stovky miliard let, zvláště pak u červených trpaslíků. Přeměna energie ve hvězdách probíhá s obrovským využitelným ziskem, proto se vědci a inženýři snaží přijít na optimální řešení, kterým využít tento potenciál i zde na Zemi. Účinnější využití hmoty už je možné pouze její kompletní přeměnou na jinou formu energie (hmota sama osobě je energie) její anihilací s antihmotou, nebo ve vzdálené budoucnosti proměnou v černou díru a zachycení její energie při jejím vypařování. V posledních dvou případech je energetický zisk z hmoty 100%.

Termojaderná fúze na Zemi[editovat | editovat zdroj]

Lidé se snaží o dosažení jaderné fúze na Zemi zejména kvůli enormní energii, kterou lze její pomocí uvolnit. Její využití lze rozdělit na vojenské, neboli vývoj jaderných fúzních zbraní, a civilní vývoj fúzní elektrárny, tedy zvládnutí řízené reakce.

Fúze jako zdroj energie[editovat | editovat zdroj]

Ve snaze zvládnout jadernou fúzi řízeně a následně ji použít jako zdroj energie byla vyvinuta celá řada postupů a zařízení. Klíčovým problémem je, že pro dosažení fúze je třeba ohromné teploty (desítky milionů kelvinů), a není snadné plazma při této teplotě udržet s dostatečnou hustotou po dostatečnou dobu. O plazmatu mluvíme proto, že jakákoliv hmota se při dané teplotě přemění v plazma.

Dalším problémem je i radioaktivita. Jako palivo se používá radioaktivní tritium.[3] Stěny reaktoru se také stávají radioaktivními,[4] takže i tento způsob výroby energie produkuje radioaktivní odpad.

Postupem času se jako potencionálně použitelné ukázaly dvě metody: magnetické udržení pomocí tokamaků (nebo stellarátorů) a inerciální udržení.

  • Magnetické udržení využívá komplikovaných magnetických polí v magnetických nádobách, která zajišťují aby se plazma nedotýkalo stěn a defakto levitovalo ve vakuu.
  • Inerciální udržení naopak rezignuje na fyzické držení materiálu, ale snaží se dosáhnout takových podmínek (zejména hustoty), aby materiál nestihl expandovat dříve než dojde k fúzní reakci. Materiál je tedy udržován jen svou setrvačností (ang. inertia) která mu brání v rychlé expanzi.

Termojaderná fúzní reakce v tokamacích již byla demonstrována, např. na tokamaku JET v Anglii. Problém v jejím využití pro energetiku tkví v tom, že v současných tokamacích je stále třeba dodat do zařízení více energie, než kolik je vyprodukováno. Tento poměr by se měl zlepšovat s rostoucími rozměry zařízení, kdy ovšem narůstají mnohé technologické problémy.

Vojenské využití[editovat | editovat zdroj]

Zažehnutí neřízených reakcí už bylo dosaženo ve zbrojním průmyslu. Jedná se o termonukleární zbraně. Tyto zbraně mají díky obrovskému množství uvolněné energie velmi devastující účinky, řádově tisíckrát větší než obyčejná štěpná atomová bomba.

Největší dosud vyrobenou a otestovanou fúzní bombou byl ruský Car se silou 50 Megatun TNT. Její původní síla však byla 100 Megatun, Sovětští vědci se ovšem obávali toho, že zbraň je příliš silná a na Zemi neexistuje místo, kde by mohla být bezpečně otestována. Proto její síla byla snížena na polovinu přidáním olověných plátů do vnitřní konstrukce pro zpomalení jaderné reakce. Přesto se při explozi vše v okolí 40 kilometrů od výbuchu vypařilo a do sta kilometrů by člověk či jiný živý tvor utrpěl smrtelné popáleniny. Exploze také vyvolala v místě dopadu zemětřesení o síle 5,5 stupně Richterovy stupnice, tlakovou vlnu, která třikrát oběhla zeměkouli, mírně vychýlila osu rotace Země a na několik let změnila klima.

Ostatní využití[editovat | editovat zdroj]

Termonukleární fúze by se mohla použít při mezihvězdných letech. Malé množství směsi deuteria a tritia by se zapálilo elektronovým paprskem (laserem).[zdroj?] Obdobně jako u jiných pohonných látek by se výsledná směs v spalovací komoře rozpínala a tryskou by odtekla do volného prostoru, čímž by raketě udělila dopředný impuls. Toto by se opakovalo v dávkách a raketa by se tedy pohybovala ne kontinuálním tahem, ale pomocí pulsů.

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/sunfact.html
  2. http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/sunsystem/jupiter.html
  3. http://www.osel.cz/index.php?clanek=4120 - Kdy se bude jaderná fúze využívat pro výrobu energie?
  4. http://atominfo.cz/2012/08/nove-materialy-pro-steny-termojaderneho-reaktoru-iter-dopadly-na-vybornou/ - Nové materiály pro stěny termojaderného reaktoru ITER dopadly na výbornou

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]