Student World

Ve Spojených státech byla experimentální cestou uskutečněna termojaderná fúze. Proces, který se normálně odehrává pouze v nitru hvězd, demonstrovali v laboratorních podmínkách fyzici Sandia National Laboratories.

Jaderné neboli nukleární reakce jsou reakce, při nichž lze jeden prvek přeměňovat na druhý. Dochází při nich k interakci částic, popřípadě jader atomů s jinými atomovými jádry. Podle povahy vznikajících jader v porovnání s jádry původními se rozlišují termonukleární reakce do tří typů: transmutace jader, štěpení jader a fúze (syntéza) jader.
Pomocí transmutace jader byly připraveny umělé prvky a umělé radioizotopy, které se využívají v řadě oborů. Na principu druhého typu, štěpení jader, pracují dnešní atomové reaktory. Jedná se o řízené řetězové reakce, při nichž z těžkého jádra dochází ke vzniku dvou středně těžkých jader a několika neutronů. Při rozštěpení atomového jádra se uvolňuje neobyčejně velká energie (přibližně 200 MeV), přičemž uvolněné neutrony vyvolávají další štěpení. Celý proces probíhá v atomových reaktorech zkonstruovaných tak, aby pouze jeden z uvolněných neutronů mohl vyvolat další štěpení atomového jádra. Jedná se o tzv. stacionální (řízené) štěpení. Jeho nevýhodou je nejen značná technologická náročnost, ale i problém, jak se zbavovat vyhořelého odpadu – nemluvě o nebezpečí, že se proces vlivem chyby konstrukce reaktoru nebo měření procesu vymkne z rukou.

Při posledním typu termonukleární reakce, fúze jader, dochází k syntéze těžšího jádra z jader lehčích prvků. Při tomto procesu se uvolňuje tak obrovské množství energie, že tento typ reakce je z energetického hlediska daleko výhodnější než reakce štěpné. Problémem je praktické uskutečnění. Fúze jader začíná probíhat až při extrémně vysokých teplotách (300 milionů stupňů Celsia), kdy mají částice dostatečnou energii k překonání odpudivých sil mezi atomovými jádry. Právě takové teploty panují v nitru některých hvězd, mezi nimi i našeho Slunce.

Celý proces se rovněž označuje jako protonově-protonový řetězec: dva protony (jádra vodíku) se sloučí, vytvoří jádro deuteria (jeden proton a jeden neutron) a vypustí pozitron a neutrino. Zatímco lehounké neutrino uniká do prostoru, pozitron se obyčejně sráží s elektronem, přičemž anihilují a vyzáří paprsky gama. Deuterium se pak slučuje s dalším protonem a vzniká izotop helia, helium-3, a další záření gama. Následným slučováním dvou jader helia-3 vzniká jádro helia-4 a dva protony. Konečné produkty, dvě vodíková jádra a jádro helia-4, mají hmotnost o sedm desetin procenta menší než původní jádra – právě tento zlomek hmoty se mění v energii. Slunce, stejně jako řada dalších hvězd, takto získává 98 % své energie. Přemění na helium 600 milionů tun vodíku za sekundu, 4 miliony tun vodíku se v tomto zlomku času promění na energii.

Při uskutečnění termojaderné fúze jde – zjednodušeně řečeno – o to, jak k sobě přiblížit dvě lehká jádra atomů tak, aby jejich přitažlivé síly byly větší než síly odpudivé. Zní to vcelku jednoduše. Praktická realizace není ovšem zdaleka tak snadná, jak se může první pohled zdát.
První obtíž spočívá přirozeně v energetické náročnosti. Je totiž nezbytné poskytnout lehkým jádrům teplotu v řádu sta milionů stupňů Celsia. Další problém vězí v tom, že látka se při takto extrémních teplotách nachází ve stavu plazmy, kterou je nutno „uzavřít“ do omezeného prostoru. Plazma je směs „holých“ atomových jader a elektronů, jež vzniká při vysokých teplotách, kdy jsou atomy zcela ionizovány. Ve hvězdách rozptýlení plazmy zabraňuje silné gravitační pole. Je nabíledni, že v pozemských podmínkách neexistuje materiál, který by ji dokázal zachytit. Jak si s tím mohou vědci poradit?

(Nelze na tomto místě nepřipomenout, že před více než deseti lety plnily vědecké i vědecko-populární časopisy spekulace o takzvané studené jaderné fúzi neboli sonoluminiscenční jaderné fúzi, využívající chování maličkých bublinek roztoku acetonu vystavenému ultrazvuku o příslušné amplitudě. Nicméně počáteční optimismus vystřídalo spíše rozčarování. Proces známý jako akustická kavitace se studuje už řadu let, ale věci stále nejsou tak snadné a jednoznačné, jak se fyzikům jevily.)

Ke „spoutání“ plazmy slouží technologie takzvaných nehmotných nádob. Jeden z možných způsobů realizace spočívá ve využití vhodně voleného elektromagnetického pole, ale ani to není nijak jednoduché. K udržení plazmy při termojaderné fúzi byl vyvinut postup označovaný v odborné literatuře jako magnetická toroidní komora. Lze si ji představit jako jakousi prstencovou komoru s vinutím drátů, v níž díky napětí dosahujícímu několik stovek ampér vzniká neobyčejně silné elektromagnetické pole současně s vysokou teplotou.

Pracovníci amerických Sandia National Laboratories nalezli ovšem nové řešení. Podařilo se jim udržet plazmu „na uzdě“ díky novému postupu, nazvanému „Z-machine“ nebo také „Z-pinch“ (sevření zet), zabraňujícímu rozlití či explozi plazmy. Složité zařízení, na délku velké zhruba jako železniční vagón ovinutý nekonečnou spletí drátů, vypadá jako z vědeckofantastického filmu 90. let minulého století, ale k vlastní fúzi došlo v dvoumilimetrové plastické kapsli umístěné v komoře cylindrického tvaru. Při reakci ve zlomku sekundy došlo ke sloučení dvou vodíkových jader v deuterium, přičemž bylo využito nesmírně intenzivního rentgenového záření. Při mikroexplozi se uvolnilo odhadem asi 10 miliard neutronů.
„Je to první vskutku zdařilá termojaderná fúze, kterou za čas budeme moci využít i v energetice,“ prohlásil Ramon J. Leeper, manažer týmu fyziků, kteří se na ambiciózním experimentu podíleli, na setkáni věhlasné American Physical Society. Podrobnosti o fenomenálním experimentu přinesou v příštích dnech jistě časopisy Nature a Science. 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.

Technologie cylindrické Z-fúze se podle stručného článku uveřejněného na PhysicWebu bude pravděpodobně moci v budoucnosti využít při realizaci komerčního zařízení na jadernou fúzi, což by mohlo vyřešit problém s energetickou nedostatečnosti. Elektrárna schopná uskutečnit termojadernou fúzi je už řadu let snem, k němuž se ubírají naděje, jak najít cestu z hrozící energetické krize. K dispozici jsou takřka nevyčerpatelné zásoby paliva, proces je čistý a obejde se bez nebezpečného odpadu, který dělá těžkou hlavu jaderným energetikům současnosti.
„Kdyby se podařilo zkonstruovat zařízení na využití termonukleární fúze, mohlo by se z tekoucí vody o průtoku 12 litrů za sekundu získávat tolik energie, kolik vyrábějí všechny elektrárny v USA,“ napsal svého času Richard Feynman. A to je příslib, jemuž se jen těžko odolává.

Další informace:
http://www.sandia.gov

„Z-machine“ – zařízení schopné napodobit proces, který probíhá v nitru hvězd

Plastická kapsle, v níž byla uskutečněna termojaderná fúze, v porovnání s velikostí mince jednoho amerického centu
Omlouváme se za problémy s přidáváním komentářů k článkům. Komentáře prosím zasílejte e-mailem na pavel_houser@idg.cz.

autor Jan Kapoun