Termonukleární fúze

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

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

V jádru Slunce

Znázornění několikanásobné fúze ve Slunci Teplota ve středu Slunce dosahuje 1,5×107 K neboli 1,30 keV/k (jednotka eV/k, v praxi nesprávně uváděná pouze jako eV, se často užívá ve fyzice plazmatu pro udání teploty). +more Při této teplotě již část protonů může nahodilými srážkami získat dostatečnou kinetickou energii na to, aby při srážce došlo k překonání elektrostatické síly a k 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/k). 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. +more 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.

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. +more Každou sekundu 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.

V dalších hvězdách

Znázornění pokročilé fáze jaderného slučování Slučováním dalších jader se postupně dostaneme k dalším prvkům s různým nukleonovým číslem, které jsou mimo jiné esenciálním základem při formování kamenných planet a vzniku života. +more Všechny prvky těžší než helium až do železa tedy vznikly jadernou fúzí ve hvězdách. Prvky těžší než železo vznikají pomocí tzv. s-procesu (při kterém jsou jádra bombardována neutrony relativně pomalu "slow neutron-capture process"), který probíhá při výbuchu supernov a vytváří přibližně polovinu prvků těžších než železo, a r-procesu (při kterém jsou jádra rapidně bombardována neutrony "rapid neutron-capture process"), který probíhá při srážce neutronových hvězd (tzv. kilanově) a který vytváří zbytek těžkých prvků. (Prvotní vodík a helium vznikly během Velkého třesku v poměru přibližně 75% vodíku:25% helia. ).

Termonukleární reakce mohou u hvězd menších spektrálních tříd trvat i stovky miliard let, zvláště pak u červených trpaslíků.

Umělé vyvolání fúze

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 o sobě je energie) její anihilací s antihmotou, nebo ve vzdálené budoucnosti proměnou v černou díru a zachycení její energie při jejím vypařování. +more V posledních dvou případech je energetický zisk z hmoty 100%.

Potenciální využití fúze lze rozdělit na vojenské, neboli vývoj jaderných fúzních zbraní, a civilní vývoj fúzní elektrárny, tedy zvládnutí řízené reakce.

Fúze jako zdroj energie

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. +more 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. +more Stěny reaktoru se také stávají radioaktivními, takže i tento způsob výroby energie produkuje radioaktivní odpad.

Postupem času se jako potenciálně 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. +more inertia) která mu brání v rychlé expanzi.

Termojaderná fúzní reakce v tokamacích již byla demonstrována, např. na tokamaku JET v Anglii. +more 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

Zažehnutí neřízených termonukleárních reakcí už bylo dosaženo ve zbrojním průmyslu. Jedná se o termonukleární zbraně, které mají díky obrovskému množství uvolněné energie velmi devastující účinky, řádově tisíckrát větší než obyčejná štěpná atomová bomba. +more Největší dosud vyrobenou a otestovanou fúzní bombou byl ruský Car se silou 50 Megatun TNT, který byl vyzkoušen v roce 1961.

Ostatní využití

Existují návrhy na využití fúze k pohonu kosmických lodí. Cesta k Marsu, která se současnými chemickými raketovými motory trvá asi dva roky, by se mohla zkrátit na jeden měsíc. +more Existují dva koncepty: pulsní a kontinuální.

Koncept pulsního pohonu předpokládá, že se malé množství směsi deuteria a tritia zapálí iontovým paprskem nebo laserem) Obdobně jako u jiných pohonných látek by se výsledná směs ve spalovací komoře rozpínala a tryskou by odtekla do volného prostoru, čímž by kosmické lodi udělila dopředný impuls. Toto by se opakovalo 30krát za sekundu pro meziplanetární lety nebo 250krát pro mezihvězdné lety. +more Kosmická loď by se tedy pohybovala ne kontinuálním tahem, ale pomocí pulsů.

Koncept kontinuálního pohon vychází z principu tokamaku (prstencová reakční komora), část plazmatu by se však vyváděla z reakční komory pomocí divertoru a usměrňovala magnetickou tryskou. Existuje i návrh s lineářní reakční komorou.

Reference

Související články

Jaderná fúze * Studená fúze * Jaderná reakce * ITER * Tokamak * Stellarátor * Termonukleární zbraň

Externí odkazy

[url=https://web.archive.org/web/20061014192437/http://server.ipp.cas.cz/~vwei/fusion/fusion_c.htm]Termonukleární fúze na ipp.cas.cz[/url]

Kategorie:Fyzika částic Kategorie:Jaderná fúze Kategorie:Zdroje energie