Plazma Úvod Elementární procesy Diagnostika plazmatu Výboje Kosmické plazma Aplikace Termonukleární fúze Problémy Využití laserů Současnost a budoucnost Experimenty Laboratoř elementárních procesů Laboratoř procesů ve výboji Laboratoř plazmové chemie Laboratoř nabíjení prachu Rejstřík Autoři

Termonukleární fúze

Rozvoj a studium elementární fyziky plazmatu byl v podstatě podnícený především snahou pochopit a vysvětlit děje probíhající ve vysokoteplotním plazmatu. To je totiž jeden z předpokladů ke zvládnutí problému řízené termonukleární reakce. Jelikož zásoby vodíku, který by konečný reaktor vyžadoval, jsou prakticky nevyčerpatelné, dosažení tohoto cíle by znamenalo získání téměř neomezeného zdroje energie.

Princip termonukleární fúze

Děj nukleární fúze je principiálně inverzní k ději jaderného štěpení. Jeho využití je založené na poznatku, že při slučovaní (fúzi) jader lehkých prvků vzniká určité množství energie, což vyplývá z rozdílu vazbových energií jednotlivých prvků (viz obr. vpravo).

Palivové zdroje na Zemi

Zobrazené údaje jsou samozřejmě jen odhady a podle různých zdrojů se značně liší.

Uhlí	300 let
Ropa	40 let
Uran (běžné štěpení)	30 let
Zemní plyn	50 let
Uran (rychlé reaktory)	30000 let
Lithium - zásoby na pevnině	30000 let
Lithium - zásoby v oceánech	3x10⁷ let

Možné reakce

Nejbližším generátorem energie založeném na jaderné fúzi je Slunce. V jeho nitru probíhá řetězec reakcí (tzv. protonový cyklus)

p + p	→	D + e⁺ + ν_e	(1)
D + p	→	³He + γ	(2)
³He + ³He	→	⁴He + 2p	(3)

Za povšimnutí stojí první reakce. Produkované neutrino snadno proniká Sluncem a jeho detekci na Zemi je jedním z důkazů existence protonového cyklu ve Slunci. Z charakteru reakce vyplývá, že je způsobena slabou interakcí. Ta má relativně dlouhé reakční časy a tím výrazně zpomaluje jaderné přeměny na Slunci. Díky tomu bude Slunce zářit ještě miliardy let.

Jaderné reakce, které vyhovují požadavkům kladeným na dostupnost paliva, energetický zisk a jejich technickou uskutečnitelnost, jsou následující:

D + T	→	⁴He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)	(4)
D + D	→	T + p (3 MeV) ( 50% )	(5)
D + D	→	³He + n (3 MeV) ( 50% )	(6)
D + ³He	→	⁴He + p (18 MeV)	(7)

Celá sada reakcí se dá sumarizovat jako

→

⁴He + p + n

(8)

V principu lze tedy použít jako palivo pouze deuterium a výsledný produkt bude helium. Problém je v teplotě potřebné k základním DD reakcím. Ty se pohybují okolo 500 keV, což je v současných fúzních zařízeních nedosažitelná hodnota. O něco menší nároky má DT reakce, pro kterou je potřeba termalizované plasma o teplotě 10keV. Její nevýhodou je potřeba tritia, které je radioaktivní (slabý beta zářič), a navíc se nevyskytuje ve volné přírodě, ale je potřeba ho produkovat uměle.

Důvod, proč je zrovna DT reakce tak výhodná, tkví v ojedinělém resonančním mechanismu. Součet klidových energií D a T se jen o velmi málo liší od klidové energie jedno ze stavů 5He. Tento isotop helia má extrémně krátkou životnost, v podstatě se tedy jedná o resonanční záchyt.

Zápalná teplota

Aby se teplota plazmatu zachovala a reakce mohla probíhat kontinuálně, je potřeba, aby výkon, vzniklý při daných reakcích, byl vyšší než výkon ztrácející se brzdným zářením elektronů. To pro první sadu rovnic dává vztah:

$n_D n_T \sigma_\nu W = 5*10^{-43} Z^2 n^2 \sqrt{kT_e}$

(3)

kde n_D je koncentrace deuteria (D), n_T koncentrace tricia (T), σ_ν je vystředované přes Maxwellovské rozdělení, W je energie uvolňující se při každé reakci a T_e je teplota elektronů. Zápalná teplota, kterou definujeme jako teplotu, při které rovnice (3) platí, je pak pro první sadu reakcí (D-T) asi 4 keV a pro druhou sadu reakcí (D-D) asi 35 keV.

Praktické požadavky

Další podmínkou, kladenou zejména z praktického hlediska, je podmínka, aby při termonukleární reakci vzniklo více energie, než je potřebné k ohřevu plazmatu a náhradě ztrát zářením. Znamená to v podstatě určité požadavky kladené na hustotu plazmy n, na dobu udržení t a na teplotu T. Prakticky tuto podmínku vyjadřuje Lawsonovo kriterium:

$n t T > 5*10^{21} m^{-3}.s.keV.$

(4)

DμT molekuly

Jedním z nadějných způsobů, jak obejít Coulombickou bariéru jinak než vysokou teplotou, je DμT molekula. Je to v podstatě vodíková molekula, kde místo elektronu figuruje mion. Tento lepton má velmi podobné vlastnosti jako elektron, je ovšem zhruba 200x těžší. Díky tomu je celá molekula značně zmenšená (bohrův poloměr je zde asi 2.5x10^-13m) a to umožňuje průběh DT reakce. Miony se produkují v urychlovači. Nastřelením proudu protonů do terčíku vznikají mezony ? a jejich rozpadem miony. Ty jsou nestabilní a s poločasem rozpadu 1.5x10^-6s se rozpadají na elektron a dvě neutrina. Miony v DT směsi velmi rychle (10^-9s) vytvoří molekulu a během dalších zhruba 10^-12s dojde k jaderné reakci. Problém je, že s pravděpodobností 0.6% zůstane mion přilepený na vzniklém heliu a neúčastní se dalších reakcí. V současné době je možné dosáhnout o něco více než 100 reakcí na 1 mion. To je bohužel příliš málo na to, aby se použití mionů energeticky vyplatilo, protože na produkci jednoho mionu jsou potřeba 3GeV.

Tritium

Tritium je jedním z největších problémů současných fúzních zařízení. Jak již bylo zmíněno, rozpadá se beta rozpadem s poločasem 12.3 let. Na Zemi se prakticky nevyskytuje, je možné ho vytvořit neutronovou aktivací

	n + ⁶Li	→	⁴He + T	(8)
	n + ⁷Li	→	⁴He + T + n	(9)

Druhá reakce je důležitá, protože se při ní produkuje další neutron, který může dále reagovat. Je tak v principu možné využít neutrony vznikající při DT reakci pro tvorbu dostatečného množství tritia. Tritium se po chemické stránce chová jako vodík, může vytvářet HTO molekuly a velmi snadno pronikat do živých organismů. Jeho biologický poločas v lidském těle je zhruba 10 dní, během této doby může být pro člověka značně nebezpečný. Další nepříjemnou vlastností je tzv. rozpouštění v kovech. Vodík má obecně tendenci pronikat a usazovat se v kovech, a to až v překvapivě vysokých koncentracích. To v praxi znamená, že po prvním použití tricia ve fúzním zařízení budou stěny komory natolik zamořeny radioaktivitou, že do něj nebude smět nikdo vstoupit a všechny pozdější konstrukční zásahy budou realizovány pomocí robotů.

<< Předchozí (Aplikace)

[Nahoru]

Další (Termonukleární fúze – Problémy) >>

Plazma