Jak daleko jsme pokročili k jaderné fúzi?  
V současné době byla dokončena budova, ve které bude termojaderný reaktor ITER, a bude možné přistoupit k instalování samotného tokamaku. Začne se tak sestavovat vakuová nádoba pro plazma, supravodivé magnety a další konstrukce tohoto zařízení. Využijme tento klíčový zlom ke shrnutí našich znalostí o možnosti využití termojaderné fúze.

Principy energetického využití jaderných reakcí

Komponenty jsou na místě, budova stojí a zařízení ITER se začne skládat dohromady (zdroj ITER).
Komponenty jsou na místě, budova stojí a zařízení ITER se začne skládat dohromady (zdroj ITER).

Energetické využití jaderných reakcí je založeno na základních vlastnostech kvantové fyziky a speciální teorie relativity. Podle Einsteinovy speciální teorie relativity platí ekvivalence mezi hmotnostní a energií. Klidová energie spojená s hmotností se tak může přeměňovat na energii kinetickou a tu lze přeměňovat na teplo, a to využít třeba k produkci elektřiny. Při slučování nebo štěpení jader tak lze využít vazebnou energii, která se při těchto procesech uvolňuje. To, který ze zmíněných procesů lze použít, závisí na tom, jak se mění vazebná energie připadající na jeden nukleon s počtem nukleonů. Pokud se podíváme na graf, který tuto závislost zobrazuje, vidíme, že až po železo s počtem nukleonů 58 vazebná energie na jeden nukleon stoupá. Pro lehčí prvky, než je zmíněné železo, tak získáme uvolněnou vazebnou energii a přeměnu klidové energie na kinetickou jejich slučováním. Naopak pro těžká jádra pak jejich štěpením.

 

Závislost vazebné energie na jeden nukleon B/A na počtu nukleonu v jádře A. Maximum necelých 9 MeV je u jádra železa 58Fe.
Závislost vazebné energie na jeden nukleon B/A na počtu nukleonu v jádře A. Maximum necelých 9 MeV je u jádra železa 58Fe.

Štěpení se využívá v klasických štěpných reaktorech. My se teď budeme věnovat možnostem slučování lehkých jader. V tomto případě narážíme na jeden významný problém. Jádra jsou díky protonům kladně nabitá a vzájemně se elektrostatickou silou odpuzují. Tato odpudivá síla působí až do té doby, než se jádra přiblíží na vzdálenost, která je menší, než je dosah jaderné silné interakce. Ta pak dominuje nad elektrickým odpuzováním. Odpuzování se pak mění na přitahování a dochází k jaderné reakci. Jak je ukázáno na obrázku, dochází tak k vytvoření coulombovské odpudivé bariery, kterou musí nabité jádro překonat, aby ke slučovací reakci došlo. V klasickém případě by musela být kinetická energie nalétávajícího jádra větší, než je výška zmíněné coulombovské bariery. Kvantová fyzika však umožňuje i to, že se může do dostatečné blízkosti nalétávající nabitá částice i protunelovat. Pravděpodobnost takového jevu a jaderné reakce je v tomto případě řádově nižší. S poklesem energie projektilu a růstem výšky coulombovské bariéry navíc velice rychle klesá.

 

Coulombovská bariéra vzniká působením přitažlivé silné jaderné síly, která působí na velmi krátkou vzdálenost a mnohem slabší odpudivé síly elektrické. V grafu závislosti potenciálu protonu, který se přibližuje k jádru se tak vytváří val coulombovské bariéry a hluboká jáma vytvořená přitažlivou jadernou interakcí.
Coulombovská bariéra vzniká působením přitažlivé silné jaderné síly, která působí na velmi krátkou vzdálenost a mnohem slabší odpudivé síly elektrické. V grafu závislosti potenciálu protonu, který se přibližuje k jádru se tak vytváří val coulombovské bariéry a hluboká jáma vytvořená přitažlivou jadernou interakcí.

Pro překonání coulombovské bariery potřebujeme urychlit jádra na dostatečné rychlosti a kinetické energie. To můžeme docílit dvěma způsoby. Prvním je urychlení lehkých jader pomocí elektrického pole, kterým získáme svazek uspořádaně se pohybujících urychlených jader. Toho dosáhneme ve fúzoru nebo pomocí urychlovače. V tomto případě dostaneme na energii dodanou na urychlení jen velmi malý počet fúzních reakcí. Na těchto zařízeních se tak sice fúzní reakce realizují, ale neslouží k produkci energie. Při výběru vhodné reakce však mohou sloužit jako intenzivní zdroj neutronů.

 

V přírodním termojaderném reaktoru drží plazma pohromadě gravitační síla (zdroj NASA).
V přírodním termojaderném reaktoru drží plazma pohromadě gravitační síla (zdroj NASA).

Druhou možností je pak intenzivní ohřev plazmatu, při které se potřebná rychlost a kinetická energie realizuje v chaotickém tepelném pohybu jader. Ta teplota je velmi vysoká, v řádu 107 až 109 K. I při ní však nestačí kinetické energie iontů k přímému překonání coulombovské bariéry, a to se realizuje kvantovým tunelováním. Právě tato termojaderná fúze je cestou k možnosti získání fúzního reaktoru a elektrárny.

 

Fúzním reaktorem je i Slunce

Příkladem přírodního termojaderného reaktoru jsou hvězdy, tedy i naše Slunce. V tomto případě jde o obrovský objem horkého plazmatu, které drží pohromadě gravitační síla. Nitro Slunce, ve kterém probíhají termojaderné reakce má poloměr 175 000 km, což znamená, že jeho objem zaujímá necelé 0,2 % celkového objemu. V tomto jádře Slunce je teplota potřebných 15 milionů kelvinů a hustota plazmatu zde je okolo 130 000 kg/m3 (to znamená řádově hustotu 1032 protonů/m3). Vzhledem k této vysoké hustotě obsahuje tato objemem malá část Slunce velkou část (až desítky procent) jeho hmotnosti. Hustota výkonu Slunce je zhruba 0,19 mW/kg. Ten je velmi nízký, takže velký celkový výkon Slunce je dán hlavně jeho obrovským objemem.

 

Podívejme se, jaké reakce ve Slunci probíhají a zda by mohly být inspirací pro využití v pozemských termojaderných reaktorech. Prvním je proton-protonový cyklus. Zde probíhají tři reakce, které vedou k přeměně. Z nich první je kritická. Jde o splynutí dvou protonů za vzniku deuteronu, pozitronu a elektronového neutrina. Přeměna protonu na neutron (ale i naopak neutronu na proton) nemůže proběhnout jinak než prostřednictvím slabé interakce. Musí zde totiž dojít k přeměně jednoho kvarku na druhý, a to jiný typ interakce nemá dovoleno. Protože je tato interakce extrémně slabá, je i pravděpodobnost této interakce extrémně malá. Konkrétní proton musí i v prostředí, kde protony dominují, čekat v průměru 9 miliard let, než se s pomocí dalšího protonu uskuteční jeho proměna na deuteron.

Další reakcí je spojení deuteronu s protonem za vzniku izotopu helia 3. Tam jde pouze o spojení několika nukleonů, které se realizuje prostřednictvím silné interakce. Ta je velmi intenzivní a tím i realizace proběhne velmi rychle. Deuteron tak vydrží průměrně jen okolo čtyři sekundy, než proběhne jeho fúze s protonem. Za tu dobu má zanedbatelnou pravděpodobnost potkat jiný deuteron. Takže reakce fúze dvou deuteronu ve hvězdách neprobíhá.

 

Ve třetí reakci dojde ke spojení dvou jader helia 3 za vzniku izotopu helia 4 a dvou protonů. Helium 3 průměrně vydrží 400 let, než potká jiné helium 3 a proběhne zmíněná reakce. Vzhledem ke zmíněné velmi krátké době existence deuteronu má velice malou pravděpodobnost potkat toto jádro. Při reakci s protonem, kterých je v okolí helia 3 velký počet, by sice mohlo dojít ke vzniku helia 4 a vyzáření pozitronu a neutrina. Ovšem tato reakce probíhá pouze prostřednictvím slabé interakce a s extrémně malou pravděpodobností, takže její realizace je i u Slunce zanedbatelná.

 

Na Slunci probíhají ještě dva další cykly fúzních reakcí. Prvním z nich je tzv. CNO cyklus, kdy uhlík jako katalyzátor umožňuje v sérii reakcí přeměnu čtyř protonů na helium 4. Kromě reakcí, kdy se prostřednictvím silné jaderné interakce slučují jádra, jsou i dva rozpady beta, při kterých se prostřednictvím slabé interakce přeměňují neutrony na protony za vzniku pozitronu a neutrina. Tento cyklus má několik bočních linií, které však probíhají většinou při vyšších teplotách a ve hmotnějších hvězdách než Slunce. V nich mohou zároveň z uhlíku vznikat těžší prvky. Nejen reakce CNO cyklu, ale i další reakce ve hvězdách a metody, jak se studují v laboratoři na Zemi, jsou popsány v podrobnějším článku o produkci prvků ve vesmíru.

 

Třetí cyklus reakce je tzv. Salpeterův cyklus nebo tři alfa cyklus. Zde dochází ke splynutí tří jader helia 4 na uhlík 12. To je možné díky existenci excitovaného stavu s odpovídající energií u jádra uhlíku. Tu právě kvůli nutnosti možnosti produkce uhlíku ve hvězdách předpověděl americký astrofyzik Fred Hoyle. Teprve později se jej jaderným fyzikům podařilo potvrdit experimentálně.

 

Příklady některých fúzních reakcí a uvolněné energie, které lze využít v umělých fúzních zdrojích.
Příklady některých fúzních reakcí a uvolněné energie, které lze využít v umělých fúzních zdrojích.

Průběh všech těchto reakcí a produkce dostatečné energie je možný jen díky velkému objemu a hmotnosti hvězdných přírodních reaktorů, ve kterých je plazma drženo díky gravitační síle. Proto je možné překonat problém s malou pravděpodobností některých z nich. Při konstrukci termojaderných reaktorů na Zemi je však potřeba využívat jen reakce založené na silné jaderné interakci, které mají dostatečně vysokou pravděpodobnost.

 

Jaderné reakce využitelné pro umělý fúzní reaktor

Je několik reakcí, při kterých se slučují ta nejlehčí jádra a lze je pro produkci energie využít. Jejich výhodnost závisí na tom, jakou teplotu plazmatu potřebují k tomu, aby pravděpodobnost jejich realizace dostatečně narostla. A také jak vysoká bude pravděpodobnost, která se vyjadřuje pomocí veličiny účinný průřez, pro dosažitelné teploty. Z tohoto hlediska je nejvýhodnější reakce slučování deuteronu a tritonu, při které vzniká helium 4 a neutron. Zde pravděpodobnost reakce roste a dosahuje maxima mezi teplotami 108 až 109 K, což je o řád až dva více, než je teplota uvnitř Slunce zmíněná v předchozí části. Deuterium je stabilní vodík s jedním neutronem. Relativně velké množství jej je i v mořské vodě, ze které se dá získat. Tritium už má dva neutrony a je radioaktivní s poločasem rozpadu 12,3 let.

 

V přírodě se vyskytuje, vzniká totiž interakcí kosmického záření v atmosféře. Produkuje se také například při provozu jaderných reaktorů, zvláště těch, které jsou chlazeny a moderovány těžkou vodou. Ovšem získávání tohoto tritia není moc efektivní. Zatím se tak uvažuje, že se bude produkovat z lithia, které je poměrně běžným prvkem a reakcí neutronu s ním získáme tritium. Jednak v reakci s izotopem lithia 6, kdy vzniká právě tritium a helium 4, ale také v reakci s izotopem lithia 7, kdy vzniká tritium, helium 4 a neutron. V první reakci není potřeba, aby měl neutron energii, stačí jeho záchyt lithiem. Energie se v ní naopak uvolňuje. U druhé však pro rozbití lithia 7 potřebuje neutron poměrně vysokou energii. V přírodě se vyskytuje zhruba 92,5 % lithia 7 a 7,5 % lithia 6.

 

Druhou možnou reakcí je sloučení deuteronu a helia 3. Zde je třeba vyšší teplota a také maximální účinný průřez je v maximu pro tuto reakci téměř o řád nižší, než je tomu u reakce deuteronu a tritonu. V tomto případě je helium 3 stabilní jádro. Problém je s jeho získáváním. Předpokládá se, že by se ve větším množství mohlo vyskytovat v povrchových vrstvách Měsíce, kde by se mohlo zachytávat ze slunečního větru. Proto se o něm uvažuje při možné expanzi do vesmíru.

 

Ještě nižší je maximum pravděpodobnosti reakce slučování dvou deuteronů, i teplota pro maximum této pravděpodobnosti je vyšší. V tomto případě je výhodou, že deuterium je lehce dostupné ve velkém množství z mořské vody. S různou pravděpodobností může v této reakci vzniknout helium 4, helium 3 a neutron nebo triton a proton. Nevýhodou je, že u posledních dvou možností se při jedné reakci uvolňuje téměř třikrát méně energie než u zmíněných reakcích deuteronu s tritiem nebo heliem 3. Pokud by se podařilo dosáhnout dostatečně vysokých teplot a hustot plazmatu, aby se dala využívat tato reakce, nebude s palivem pro termojadernou fúzi opravdu žádný problém.

 

Otevřený systém s magnetickými zrcadly TMX v roce 1979 (zdroj LLNL – Robert H. Hirschfeld).
Otevřený systém s magnetickými zrcadly TMX v roce 1979 (zdroj LLNL – Robert H. Hirschfeld).

Existuje ještě jedna uvažovaná možnost. A to reakce protonu s izotopem bóru 11, při které vznikají tři jádra helia 4. Bóru 11 je v přírodní směsi 80 %. Paliva by tak byly dostatečné zásoby. Nevýhodou v tomto případě je, že maximum pravděpodobnosti této reakce je až u teploty k 9 miliardám kelvinů.

 

Jaké podmínky jsou pro fúzi potřeba?

Pro zajištění dostatečné pravděpodobnosti, a tedy účinného průřezu, reakce potřebujeme mít odpovídající teplotu. Pravděpodobnost reakce se s teplotou mění. Hustota produkce energie je dána pravděpodobností reakce a hustotou plazmatu. Celková produkovaná energie na jednotkový objem je pak dána součinem hustoty plazmatu a dobou jeho udržení. Pro to, aby energie produkovaná fúzními reakcemi v plazmatu překročila významné milníky musí být součin jeho hustoty a doby udržení větší než určité hodnoty. Toto pravidlo poprvé popsal v roce 1955 John D. Lawson a označuje se jako Lawsonovo kritérium.

 

Existuje několik takových předělů. Prvním je stav, kdy produkovaný fúzní výkon vyrovná výkon potřebný k ohřevu plazmatu. Ten se označuje jako vědecké vyrovnání. Druhým je situace, kdy část fúzního výkonu, která se v plazmatu absorbuje, vyrovná potřebný výkon na ohřev plazmatu. Největší část energie produkované ve fúzní reakci v případě využití deuteria a tritia totiž odnáší neutrony. Ty jsou neutrální a z plazmatu unikají. Tento předěl se označuje jako zápalné vyrovnání. Poslední je, když produkovaný hrubý výkon pokrývá celkovou spotřebu fúzní elektrárny. Tento předěl se označuje jako inženýrské vyrovnání. První předěly jsou zajímavé z hlediska vědeckého zkoumání plazmatu a fúze. Poslední je pak kritický pro případné budování termojaderné elektrárny.

 

Pro využití fúze deuteria a tritia je optimální teplota 165 milionů kelvinů. A Lawsonovo kritérium pro zápalné vyrovnání přesahuje 1020 m-3s. Lawsonowo kritérium naznačuje dva velmi rozdílné přístupu k udržení plazmatu, jak se dá naplnit. První možností je relativně malá hustota plazmatu a dlouhá doba udržení. V tomto případě se k udržení plazmatu využívá magnetická past a mluvíme o magnetickém udržení. Druhou možností je velmi vysoká hustota plazmatu, při které stačí pro splnění Lawsonova kritéria i velmi krátká doba udržení. V tomto případě mluvíme o inerciálním udržení plazmatu.

Podrobný rozbor stavu výzkumu v oblasti termojaderné fúze jsem pro Osla psal již před více než deseti lety, tak je zajímavé se podívat na to, co se od té doby podařilo a v jakém stavu je situace nyní.

 

Laserové zařízení NIF (zdroj LLNL).
Laserové zařízení NIF (zdroj LLNL).

Inerciální udržení plazmatu

Při této metodě dosažení dostatečného fúzního výkonu je potřeba stlačením dosáhnout hustoty plazmatu přesahující 1026 iontů/m3. Doba udržení tak může být kratší než mikrosekunda. Čím vyšší hustoty se při stlačení dosáhne, tím může být doba udržení kratší. To, že dojde ke stlačení a po zapálení fúzních reakcí se horká a hustá zóna ihned nerozletí, je dáno setrvačností. Proto název inerciální udržení. Trochu to připomíná realizaci termojaderných mikrovýbuchů. Aby následky takové exploze vydržela nádoba o poloměru několika metrů, musí být uvolněná energie omezená do hodnot v řádu stovek megajoulů. Množství paliva tak musí být v řádu miligramů.

 

Nejslibnější metodou inerciální fúze je symetrické stlačení malinké kapičky paliva extrémně intenzivními svazky. Velmi vhodné jsou k tomu svazky laserové, které se rozdělí. Využití laserového paprsku navrhli už v roce 1963 fyzikové G. Basov a O. N. Krochin. Extrémně důležité je zajištění izotropního homogenního ozáření, aby se kapička co nejvíce stlačila. Při asymetrii ozáření pak vystříkne část plazmatu před dostatečným stlačením a dosažením a udržením dostatečné hustoty pro splnění Lawsonova kritéria.

 

Uvnitř komory zařízení pro inerciální fúzi NIF (zdroj LLNL).
Uvnitř komory zařízení pro inerciální fúzi NIF (zdroj LLNL).

Zařízení NIF v LLNL

A právě dosažení symetrického ozáření a stlačení kapsulky s palivem je kritickým problémem, který se nepodařil vyřešit. Zatím se předpokládá cesta, kdy se využije pro stlačení velmi výkonný laser, jehož svazek se rozdělí a symetricky kapsulku ze všech stran ozáří. Zatím největší a nejpokročilejší zařízení tohoto druhu se postavilo ve Spojených státech. Zařízení NIF (National Ignition Facility) v laboratoři LLNL (Livermore Lawrence National Laboratory) má extrémně výkonný neodymový laser, který dosáhne výkonu 0,5 PW po dobu v řádu nanosekund. V takovém případě je potřeba dosáhnout hustoty přesahující 1029 iontů/m3. Jeho svazek se rozdělí do 192 svazků a ty se pak využijí pro co nejrovnoměrnější ozáření kapsulky vyplněné směsí deuteria a tritia.

 

Samotné stlačení paliva je poměrně komplikovaná záležitost. Kapsulka je baňka z umělé hmoty o velikosti zhruba zrnka pepře. Uvnitř ní je zmrazená směs deuteria a tritia. Laserový paprsek může dopadat přímo na kapsulku nebo na speciální zařízení, které se označuje jako hohlraum (německý dutina). Jde o válec za zlata, do kterého svazky laseru vstupují dvěma protilehlými otvory.

 

V případě využití hohlraumu se při dopadu extrémně intenzivního svazku laseru v ultrafialové oblasti vnitřní stěny dutiny ohřejí a vytvoří se nakonec tepelná rovnováha při velmi vysoké teplotě. Při dosažené teplotě pak dutina vyzařuje rentgenovské záření. To dopadá na plastovou baňku, která se vypaří a rozpíná. Zároveň se tím podle zákona akce a reakce vytvoří podmínky pro implozi paliva uvnitř plastové baňky a jeho extrémní stlačení a ohřátí. Rychlost implodujícího paliva může dosáhnout až několik tisíc km za sekundu. Získá se tak, sice na velmi krátkou dobu, extrémně husté plazma. Pokud by se podařilo vytvořit homogenní ozáření bez asymetrií, mělo by se dosáhnout teploty 50 milionů kelvinů a hustoty plazmatu o dva řády větší, než je hustota olova. V horké tečce uprostřed se tak zapálí fúzní reakce a v nich produkované částice alfa ještě dodatečně ohřívají plazma. Ze středu se tak šíří ohnivá rázová vlna, která postupně zapálí všechno palivo.

 

Zařízení NIF bylo dokončeno a začalo pracovat v roce 2009. V té době byla zahájená první tříletá experimentální kampaň. Po zkušenostech z předchozích zařízení se nevyužívalo přímé ozařování, ale použil se hohlraum. Během kampaně probíhala neustálá snaha o zlepšování průběhu ozařování laserovým svazkem. Přesto se však nepodařilo podmínek pro zapálení termojaderné reakce dosáhnout, a to platí do současnosti. Zjistilo se, že existuje několik problémů a výzev, kterým je třeba čelit. Palivová kapsulka se nesmršťuje symetricky a nedosahuje se tvaru přesné koule. Ve vznikajícím plazmatu dochází při implozi k nestabilitám, které způsobují turbulenci hlavně na okraji. Dochází k míchání obalového materiálu do paliva a míchání různě teplých vrstev paliva způsobuje ochlazování vnitřních částí. Navíc materiál, který se uvolňuje ze stěny hohlraum, rozptyluje světlo vstupujících laserových paprsků, a tím způsobuje ztráty energie. Samotná konstrukce hohlraum je asymetrická a narušuje symetrie a izotropii ozáření kapsulky.

 

Simulace Rayleigh-Taylorových hydrodynamických nestabilit realizované pomocí superpočítače BlueGene/L v laboratoři LLNL (zdroj LLNL).
Simulace Rayleigh-Taylorových hydrodynamických nestabilit realizované pomocí superpočítače BlueGene/L v laboratoři LLNL (zdroj LLNL).

Výsledky snah o zapálení fúzní reakce

Probíhá tak dlouhodobá práce a snaha o zapálení fúzní reakce v palivu uvnitř kapsulky. Mění se tvar a průběh laserového svazku. Nahrazuje se materiál kapsulky z plastu za diamant a zároveň konstrukce, hlavně pak tvar, hohlraumu. Postupné vylepšování vedlo k více než čtyřicetinásobnému zvýšení výtěžku fúze. Už v roce 2012 se podařilo dosáhnout výkonu laserů 500 TW a celkové energii téměř 2 MJ. Přesto se nepodařilo dospět do stádia, aby se ve fúzi uvolněná energie alespoň přiblížila k vyrovnání energii, která se spotřebovala na ohřev plazmatu. Zatím se dosáhlo poměru těchto energií pouze 0,1. Proto se začal uvažovat návrat k přímému ohřevu místo využívání hohlraumu. Tento směr se opustil kvůli problémům se symetrickým ozařováním. V tomto případě jsou nároky na kvalitu a homogenitu laserového svazku ještě větší. Mohla by však pomoci i práce s velikostí a konstrukcí kapsulky. Kritické je také její přesné umístění a celková geometrie celé sestavy. Je jasné, že zajistit přesné umístění objektu o velikosti zrnka pepře není vůbec jednoduché.

 

Velikost a vliv asymetrií ještě více zvýrazňují Rayleigh-Taylorovy a Richtmyer-Meshkovovy nestability. Jejich studiu, a hlavně toho, jak jim čelit, se věnovaly experimenty nejen na zařízení NIF. Zapojily se i další velké lasery, jako je třeba OMEGA Rochesterské univerzity. Simulace vzniku a vývoje takových nestabilit se realizuje pomocí hydrodynamických modelů na těch největších počítačích. Konfrontace experimentů a simulací by mohla přispět k pochopení jejich zdrojů a nalezení nejvhodnějších parametrů kapsulky i laserových svazků.

 

Zařízení NIF je opravdu pouze experimentální zařízení. Umožňuje realizovat pouze jeden výstřel laseru za den. V reálné termojaderné elektrárně by to muselo být zhruba deset výstřelů za sekundu. Navíc se ukázalo, že zatím nejsme schopni docílit toho, aby se energie produkovaná fúzí alespoň vyrovnala energii, která se podaří předat plazmatu při výstřelu. A zatím nelze říci, jestli se této mety zlepšováním podmínek a parametrů svazku a terčíku dá na tomto zařízení vůbec dosáhnout.

 

Tento výsledek je pochopitelně zklamáním, zvláště z hlediska fandů pro využití termojaderné fúze pro pohon budoucích hvězdoletů. U nich se uvažuje právě inerciální fúze, jak je podrobněji popsáno v dřívějším článku na Oslovi. Je však třeba připomenout, že z hlediska USA je nejdůležitějším úkolem zařízení testování chování různých materiálů a plazmatu v podmínkách, které vznikají při výbuchu termojaderné bomby. Je totiž třeba v situaci, kdy testy termojaderných zbraní nejsou povoleny, experimentálně verifikovat programy, které se využívají při projektování těchto zbraní. Zároveň se však také dá testovat plazma ve stejných podmínkách, které existují uvnitř hnědých a rudých trpaslíků. Takže se zdá, že toto zařízení zasáhne významněji do oblasti zbraňového výzkumu a základního výzkumu v oblasti astrofyziky. Stejné cíle a dominantní zaměření na výzkum v oblasti termojaderných zbraní má i podobné zařízení LMJ (Laser MegaJoule) vybudované ve Francii, které pracuje od roku 2014. V roce 2017 zde začal pracovat velký laser PETAL (PETawatt Aquitaine Laser).

 

Vnitřní stěny vakuové komory a divertor tokamaku JET se rekonstruovaly do podoby budoucího vybavení tokamaku ITER (zdroj ITER).
Vnitřní stěny vakuové komory a divertor tokamaku JET se rekonstruovaly do podoby budoucího vybavení tokamaku ITER (zdroj ITER).

Pro stlačení paliva a zapálení termojaderné fúze inerciálním způsobem se kromě laserového svazku dají využít i intenzivní svazky částic nebo iontů. V současné době je však perspektivním směrem výzkum možností sestrojit kompaktní urychlovače částic právě pomocí laserových svazků. Výzkum velmi výkonných laserů a formování jejich svazků je tak velmi důležitým oborem. Je tak velice dobře, že právě v Česku se nyní dokončuje špičkové laserové pracoviště ELI-Beamlines, které má petawattové lasery. Jeho výzkumy mohou přispět i k cestě za inerciálním udržením fúzního plazmatu.

 

Magnetické udržení plazmatu

Při magnetickém udržení plazmatu je jeho hustota o řády nižší, musí se to však kompenzovat délkou jeho udržování. Využívá se při tom pohyb nabitých částic v magnetickém poli a možnost jejich zachycení v tomto poli. Nejdříve se využívaly otevřené systémy které řeší únik částic pomocí magnetický zrcadel na otevřených koncích. Ovšem přes ně dochází ke značným únikům, kterým se nedaří zabránit. Tento problém vyřešily uzavřené systémy s vakuovou nádobou ve tvaru dutého prstence, ve kterých lze docílit hustoty plazmatu až mezi 1019 až 1020 částic/m3, Doba udržení plazmatu tak je potřeba v řádu jednotek až desítek sekund.

 

V současné době jsou jako nejperspektivnější uvažovány dvě možnosti patřící k uzavřeným systémům, kde magnetické pole nevystupuje z nádoby. První z nich je tokamak a druhou stellarátor. V případě tokamaku se jedná o ruský koncept z počátku padesátých let, za kterým stojí Igor Jevgenějevič Tamm a Andrej Sacharov. Toroidní vakuová komora je umístěna na transformátorovém jádru. Transformátor generuje v plazmatu, které je v daném případě tím jeho sekundárním vinutím, elektrický proud. Ten pak vytváří poloidální magnetické pole. Zároveň má tokamak elektromagnety, které vytváří toroidální magnetické pole. Kombinace těchto polí vytváří magnetické pole ve tvaru šroubovice a uzavřené dráhy pohybu částic plazmatu. Umožňuje tak zachycení a udržení plazmatu uvnitř prstencové vakuové nádoby. Proud, který se v plazmatu vytváří pak lze využít i k jeho ohřevu.

 

Stellarátor navrhl Lyman Spitzer v roce 1950. Na rozdíl od tokamaku nevyužívá pro vytváření magnetického pole proud v plazmatu. Uzavřenost dráhy částic plazmatu je tak docílena čistě vnějšími elektromagnety. Proto musí mít daleko komplikovanější strukturu cívek elektromagnetů a jimi vytvářeného magnetického pole. Toroidní geometrie nádoby je tak úmyslně zkroucená a má také poměrně komplikovaný tvar. ¨

 

Tokamak JET je v současné době největším tokamakem (zdroj Efda.org).
Tokamak JET je v současné době největším tokamakem (zdroj Efda.org).

Jak plazma ohřát a jak je sledovat?

Jak už bylo zmíněno, v tokamaku se využívá ohřev při průchodu elektrického proudu, který se v plazmatu vytváří. I v plazmatu vzniká elektrický odpor a indukuje se Joulovo teplo. Mluvíme o ohmickém ohřevu. Ohmický odpor plazmatu klesá s růstem jeho teploty, takže tento způsob ohřevu funguje hlavně při nižších teplotách a v počátečních fázích ohřevy. Další možností je ohřev pomocí rádiové vlny vyzařovaný anténami se správnou frekvencí, která je pro elektrony v oblasti desítek MHz a pro ionty v oblasti desítek GHz. Dalším zdrojem energie je ohřev pomocí samotné fúzní reakce. Zde narážíme na problém v případě využití slučování tritia a deuteria. Neutrony, které vznikají a odnášejí větší část uvolněné energie, jsou neutrální, s plazmatem neinteragují a velká část energie tak z plazmatu uniká. Ohřev je dán pouze vzniklými heliovými jádry. Další možností je ohřev vstřikováním neutrálních atomů. V tomto případě se nejčastěji využívá vstřikování deuteria, které zároveň umožňuje dodávat další palivo. Tyto atomy jsou ve formě iontů urychleny a před vstupem do komory tokamaku neutralizovány. Po proniknutí magnetickým polem do plazmatu jsou v něm ionizovány a předají svou kinetickou energii ve srážkám ostatním částicím v plazmatu. Optimální energie je v rozsahu od 40 keV do 1 MeV v závislosti na objemu plazmatu. Tyto energie odpovídají teplotě až stonásobně vyšší, než je u plazmatu.

 

Velmi důležitá je kontrola vývoje plazmatu a udržení jeho stability. Nestability vedou k jeho ochlazování a vyvedení částic z jeho objemu. Problémem je také, že plazma, které se setká s povrchem vakuové nádoby ji může poškozovat. Kontrolu stavu plazmatu lze provádět přímo pomocí sond nebo nepřímo pomocí detekce částic a záření, které plazma emituje. Pro měření průběhu magnetického pole se využívají různé typy cívek.

 

Je třeba proměřovat elektrický proud, který protéká plazmatem, a polohu a tvar plazmatu. Stejně tak jeho hustotu, teplotu a tlak v různých místech. Je také třeba měřit rozdíly v teplotách i dalších parametrech u jeho různých složek. Velmi důležité je i zkoumání různých příměsí, které se do něj dostanou a mohou způsobovat jeho nestability. Vyzařování plazmatu ovlivňuje unik energie z něj a ochlazování. Velice podrobně je třeba studovat nestability a magnetohydrodynamické aktivity plazmatu. Důležité je sledování teploty hlavně těch částí povrchu vakuové nádoby, kde se jich plazma může dotýkat.

 

Problematická místa

Při konstrukci moderních tokamaků, které by dokázaly realizovat zážeh fúze a případné její využití, stojí řada výzev. Je třeba řešit doplňování paliva. To musí překonat bariéru vytvářenou magnetickým polem a dostat se do plazmatu uvnitř něj. Na druhé straně je potřeba řešit odvod spalin, tedy helia z plazmatu a také příměsí, které se do něj dostávají z různých povrchů. K tomu se využívá zařízení, které se označuje jako divertor. Speciální tvar komory i magnetického pole modifikuje odvod částic z vnějších oblastí plazmatu do speciálního místa, kde se na speciálních plochách zachytí a odčerpávají pomocí vývěv.

 

Nový japonský plně supravodivý tokamak JT-60SA (zdroj JT-60SA).
Nový japonský plně supravodivý tokamak JT-60SA (zdroj JT-60SA).

Kritická je i odolnost vnitřních stěn nádoby. Ty jsou vystaveny velmi vysokému teplotnímu namáhání a extrémní radiaci. Velmi vysoká je totiž dávka způsobená vysokými toky neutronů vznikajících při fúzních reakcích. V jaderných reakcích neutronů s materiálem stěn mohou také vznikat dlouhodobé radioaktivní prvky. Důležitý je tak výběr čistých materiálů, u kterých neutrony v jaderných reakcích takové netvoří.

 

Tokamaky

Ve světě bylo v posledních letech postaveno několik nových velice moderních tokamaků. Některé z nich už mají supravodivé všechny magnety. Do čela se postupně dostává hlavně Asie. Velmi moderní tokamak KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Reactor) byl vybudován v Jižní Koreji. Jeho hlavní poloměr je 1,8 m a vedlejší 0,5 m. Dosažená intenzita magnetického pole je 3,5 T a doba výboje až stovky sekund. Na začátku roku 2019 se mu podařilo udržet plazma na teplotě 100 milionů kelvinů po dobu jeden a půl sekundy.

 

Od roku 2006 pracuje v Číně tokamak EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), jehož hlavní poloměr je 1,85 m a vedlejší 0,45 m. Intenzita magnetického pole dosahuje 3,5 T a jeho výkon ohřevu je 7,5 MW. Do konce roku 2018 se mu podařilo dosáhnout doby udržení 100 s a teploty 100 milionů kelvinů. V budoucnu by měl mít intenzitu magnetického pole až 5 T a dosáhnout doby udržení i 1000 s. Čína zároveň v roce 2019 rozhodla o vybudování národního centra pro studium termojaderné fúze. V něm by se měl do roku 2030 vybudovat i nový tokamak. Ten sice bude menší, než je ITER, ale využití pokročilejších technologií a specifická konstrukce umožní dosáhnout vyšších teplot plazmatu. Čína tak využije synergii z účasti na projektu ITER pro rozvoj i své cesty k termojaderné energetice.

 

Japonci navázali na zkušenosti s tokamakem JT-60U (Japan Torus s objemem 60 m3) a na přelomu roku dokončili plně supravodivý tokamak JT-60SA. První plazma by se v něm mělo vyprodukovat na podzim roku 2020. Je to jeden z největších a nejmodernějších tokamaků, který připravuje půdu pro dokončení a provozování tokamaku ITER.

 

Největším tokamakem v Evropě je JET (Joint European Torus) ve vesničce Culham nedaleko Oxfordu ve Velké Británii. Ten byl uveden do provozu v roce 1983. Jeho hlavní poloměr je 2,98 m a vedlejší horizontální 1,25 m a vertikální 2,10 m. Objem plazmatu je okolo 100 m3 a intenzita magnetického pole 3,45 T. Na svém kontě má řadu fúzních rekordů. Pracoval i s tritiem a v kampani v letech 1991 až 1997 uskutečnil první masivnější produkci fúzní energie. Dosáhl při něm výkonu 1,7 MW při dosažené teplotě paliva 200 milionů kelvinů. Po úpravách a instalaci nového divertoru dokázal vyprodukovat 22 MJ fúzní energie, špičkový výkon 16 MW a podíl celkového fúzního výkonu ku dodávanému tepelnému příkonu 0,65. Dokonce se mu podařilo udržet plazma 4 sekundy při stabilním fúzním výkonu 4 MW. Poté se vrátil do režimu experimentování bez využívání tritia. V roce 2011 došlo k přestavbě jeho vnitřní stěny tak, aby odpovídala konstrukci, která bude využita v případě tokamaku ITER. Ta by měla být z beryllia a v oblasti divertoru z wolframu. Po náročné rekonstrukci by se v tomto roce 2020 měl opět věnovat experimentování s fúzí deuteria a tritia. Cílem je dosáhnout udržení plazmatu 5 s a stabilní výkon produkovaný fúzními reakcemi 15 MW. Podmínky, které se při tom dosáhnou, budou velmi podobné očekávaným na zařízení ITER.

 

Místo pro umístění tokamaku ITER už je připraveno (zdroj ITER).
Místo pro umístění tokamaku ITER už je připraveno (zdroj ITER).

Druhý největší mezinárodní vědecký projekt – tokamak ITER

Zařízení, které by mělo produkovat pomocí fúze více energie, než je potřeba na ohřev plazmatu, bude mezinárodní tokamak ITER, který se buduje ve francouzském Cadarache. Do projektu je oficiálně zapojeno 35 států. V této lokalitě je v provozu od roku 1988 i francouzský tokamak Tore Supra. Ten má hlavní poloměr 2,25 m a vedlejší 0,7 m, intenzita magnetického pole je 4,5 T. V roce 2003 zde proběhl výboj, při kterém udržení plazmatu trvalo 390 s při teplotě v řádu sto milionů kelvinů. V letech 2013 až 2016 proběhla jeho rekonstrukce, kdy se přebudovalo chlazení, vnitřní stěna a přidal se divertor z wolframu. Tokamak také dostal nový název WEST (W Environment in Steady-state Tokamak). V tomto případě W na začátku názvu znamená chemickou značku wolframu. Stal se tak dalším tokamakem, který testuje budoucí podmínky na tokamaku ITER.

 

Samotný ITER se začal budovat v roce 2007. Jeho hlavní poloměr by měl být 6,2 m a vedlejší 2 m. Objem plazmatu bude 840 m3. Intenzita magnetického pole bude 5,3 T. Produkovaný výkon by měl být 500 MW. Poměr mezi získaným výkonem z fúze a tím, který se dodal na ohřev by měl dosáhnout až hodnoty 10. Doba udržení plazmatu by měla být i 300 s a jeho teplota 150 milionů kelvinů. Celková hmotnost zařízení bude 23 000 t.

 

A právě nyní začíná po dokončení budovy, která má výšku 80 m, délku 120 m a šířku 73 m, sestavování hlavních komponent samotného tokamaku. Ty jsou dodávány z Evropy, Jižní Koreje, Číny a Japonska. Postupně by tak měl být tokamak dokončen a instalováno i potřebné vybavení. Ze začátku se objevila řada problémů v organizaci, což při zahájení tak komplexního projektu se spoustou dodavatelů z různých koutů světa není nic neobvyklého. Zde se však nejspíše projevila i nekompatibilita japonského řízení a francouzských zaměstnanců, protože ředitelem byl zpočátku Japonec. Nyní se už situace stabilizovala a pod vedením nového ředitele Bernarda Bigota se daří plnit termíny, takže i současné odhady dokončení zařízení se zdají být realistické.

 

První plazma by v tokamaku ITER mělo vzniknout na přelomu let 2025 a 2026. Jak už bylo zmíněno, většina tokamaků zkoumá vlastnosti plazmatu, a ne fúzní reakce. Proto se v nich nevyužívá tritium. Využívání tohoto radioaktivního materiálu přináší značné problémy. Navíc fúzní reakce deuteria a tritia s produkcí vyššího toku neutronů, které interagují s materiály tokamaku, indukuje radioaktivitu v konstrukčních komponentách. Využití tritia zároveň nevede k výhodám při studiu chování plazmatu. To je i důvod, proč se i několik prvních let na tokamaku ITER nebude tritium používat. Do plného provozu by se tokamak měl dostat a experimentování s fúzí deuteria a tritia by mělo být zahájeno v roce 2035. Je třeba říci, že ze zkušeností získaných u jeho předchůdců víme, že konstrukce tokamaku ITER je velkou výzvou, ale zařízení bude fungovat. Právě jeho velikost mu umožní ukázat, že lze jadernou fúzí produkovat dostatek energie a udělat ten klíčový krok k termojaderné energetice.

 

Tokamak COMPASS v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR (zdroj AV ČR – Stanislava Kyselová).
Tokamak COMPASS v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR (zdroj AV ČR – Stanislava Kyselová).

České zapojení do využívání tokamaků

Česká republika je zapojena to termojaderného výzkumu pomocí tokamaků už od jeho raných dob. Hlavním centrem je u nás Ústav fyziky plazmatu AV ČR. Už roku 1977 zde začal pracovat tokamak TM-1-MH. Ten byl právě na základě předchozího zapojení našich vědců do tohoto výzkumu předán z tehdejšího Sovětského svazu. Po přivezení do Prahy dostal název CASTOR (Czech Academy of Sciences TORus). V Ústavu fyziky plazmatu fungoval až do roku 2006 a posléze byl přemístěn na Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT, kde od roku 2009 slouží studentům pod jménem GOLEM.

 

Náhradou Ústav fyziky plazmatu dostal z Velké Británie tokamak COMPASS. Jeho obrovskou výhodou je, že jeho tvar vakuové nádoby i další parametry jsou podobné tokamaku ITER. Jen je daleko menší, objem plazmatu je u něj řádově méně rozměrný. Jeho hlavní poloměr je 0,56 m, vedlejší 0,35 m a intenzita magnetického pole 2,1 T. Proto lze na něm zkoumat podmínky fungování zařízení ITER. Že to dělají kolegové z „Plazmaťáku“ dobře, svědčí i to, že byl kolega Radomír Pánek jmenován jedním ze tří hlavních představitelů organizace Fusion for Energy (F4E), která realizuje evropskou část projektu ITER. V současné době se připravuje nový větší tokamak s označením COMPASS-Upgrade. Zase půjde o zařízení podobné tokamaku ITER. Intenzita magnetického pole by v tomto případě měla být 5 T. Dokončení nového tokamaku bude dalším skokem v zapojení našich fyziků do fúzního výzkumu.

 

Zaměření termojaderná fúze se studuje i na zmíněné FJFI ČVUT, kde studenti mohou využít zmíněný tokamak GOLEM. Protože se účastním na státnicích, vím že řada jejich bakalářských i diplomových prací je spojena s tokamaky a chováním plazmatu, které v nich vzniká. Mezi nimi je určitě řada, kteří budou pracovat i na zařízení ITER.

 

V Česku je ještě jedno zařízení pro výzkum plazmatu a fúze, jde o tzv. Z-pinč. Toto zařízení je na Fakultě elektrotechnické ČVUT. Stlačení plazmatu se dociluje magnetickým polem vznikajícím při výboji. Podrobněji jsou Z-pinče popsány ve zmíněném starším článku o fúzi.

 

Zobrazení magnetického pole a plazmatu ve stellaratoru Wendelstein 7-X i umístění nových divertorů (zdroj IPP).
Zobrazení magnetického pole a plazmatu ve stellaratoru Wendelstein 7-X i umístění nových divertorů (zdroj IPP).

Stellarátory

Současným nevětším a nejmodernějším stellarátorem je německé zařízení Wendelstein 7-X v Greifswaldu. Plně se využil pokrok v matematické simulaci potřebného tvaru magnetických polí, projektování odpovídajících magnetů a vývoji nových materiálů.

 

Předchůdcem tohoto stellarátoru byl japonský LHD (Large Helical Device) v laboratoři Toki, které pracuje od roku 1998. u kterého se v roce 2005 podařilo udržení plazmatu, i když s omezenou hustotou, až po dobu 3900 s. Stellarátory umožňují zajistit dlouhodobou stabilitu plazmatu. I zmíněný výsledek ukazuje na možnost stabilního udržení plazmatu v takových zařízeních. Druhým takovým zařízením je HSX (Helically Symmetric Experiment) na Wisconsin-Madisonské univerzitě ve Spojených státech. V Evropě je kromě zmíněného německého zařízení v provozu od roku 1998 stellarátor TJ-II s magnetickým polem 1 T ve Španělsku.

 

Stellarátor Wendelstein 7-X má hlavní poloměr 5,5 m, vedlejší pak 0,65 m. Objem plazmatu je 30 m3, hustota by měla být až 3ˑ1020 iontů/m3 a teplota až přes sto milionů kelvinů. Jeho magnetické pole umožňuje docílit intenzitu 3,0 T a doba výboje, a tedy udržení plazmatu, by měla být 30 minut. Této hodnoty by mohl dosáhnout v příštím roce. Dosažitelný výkon ohřevu je 14 MW. Dokončit se jej podařilo v roce 2015. V roce 2018 se podařilo dosáhnout hustoty plazmatu 2ˑ1020 iontů/m3 při jeho teplotě 20 milionů kelvinů a délce udržení plazmatu 100 s. V minulém roce probíhalo vylepšování tohoto zařízení. Šlo hlavně o dokončení instalace a vylepšení divertorů, které umožní odstraňovat nečistoty z plazmatu. Ty dostanou vodní chlazení. V současné době probíhá i instalace chlazení vnitřního pokrytí vakuové nádoby. To umožní zvýšit teplotu plazmatu a délku jeho udržení, takže by se mělo zařízení dostat na plánované parametry. Obnovení činnosti by mělo po vylepšení nastat koncem roku 2021.

 

Jak bylo zmíněno, jsou stellarátory velmi dobré při zajištění dlouhodobého udržení plazmatu. Mohou tak přinášet velmi důležité poznatky při cestě ke stabilnímu udržení plazmatu i pro ITER. Stellarátory jsou sice hlavně co se týká velikosti za tokamakem ITER, ale je dobré mít paralelní cestu. V budoucnu se ukáže, které zařízení bude na cestě k termojaderné energetice efektivnější. Zatím lze využít synergií při práci na obou možnostech.

 

Práce na vylepšení stellarátoru Wendelstein 7-X, uvnitř se instaluje chlazení divertoru a vnitřní stěny (zdroj Wikipedie – Gwurden).
Práce na vylepšení stellarátoru Wendelstein 7-X, uvnitř se instaluje chlazení divertoru a vnitřní stěny (zdroj Wikipedie – Gwurden).

Termojaderné elektrárny

Tokamak ITER a tím více stellarátor mají ještě velmi daleko k termojaderné elektrárně. Vůbec neřeší dvě zásadní komponenty, které bude budoucí elektrárna muset obsahovat. Prvním z nich je produkce paliva, tedy tritia. To by mělo být produkováno reakcemi neutronu s lithiem, které bude umístěno v blanketu za přední stěnou vakuové nádoby tokamaku. Musí se vyřešit produkce, sběr i doplňování tritia do tokamaku. Druhou klíčovou částí je konverze tepla produkovaného reaktorem na elektrickou energii. Teplo se produkuje ve stěně vakuové nádoby a jeho zdrojem jsou dominantně neutrální neutrony, které vyletují ven z plazmatu. Heliová jádra ohřívají samotné plazma. To už by nemusel být takový problém, protože lze převzít zkušenosti z jaderné energetiky nebo jiných tepelných elektráren. Na druhé straně optimální vyladění i této části úplně jednoduché nebude.

 

Prvním prototypovým termojaderným reaktorem by se tak měl stát teprve projekt DEMO. Na jeho plánování se sice pracuje, ale čeká se na klíčové poznatky, které by měl zajistit teprve ITER. Začátek jeho výstavby tak bude patrně po roce 2040.

 

Je však třeba připomenout, že půjde o prototypové zařízení, které ještě s největší pravděpodobností nebude ekonomicky konkurenceschopné. Teprve na základě zkušeností s ním přikročí konkrétní firmy k přípravě svých konkurenceschopných modelů termojaderných reaktorů.

 

Synergie mezi fúzní a štěpnou energetikou

Pohled na areál s dokončenou budovou tokamaku ITER (zdroj ITER).
Pohled na areál s dokončenou budovou tokamaku ITER (zdroj ITER).

Fúzní a štěpná energetika mají řadu společných problémů a technologií. Jak už bylo zmíněno, v obou případech jde o tepelné elektrárny s podobným systémem konverze tepelné energie na elektrickou. U štěpných technologií i fúzních zařízení se setkáváme s velmi intenzivními toky neutronů, které vyžadují použití materiálů odolných proti radiačnímu poškození. Zároveň jsou velmi namáhané i velmi vysokými teplotami. Například i při inspekcích tokamaku, stejně jako u reaktorů, je třeba počítat s vysokou nabuzenou radioaktivitou.

 

Velmi důležitou oblastí je tak studium materiálů odolných vůči radiaci a vysokým teplotám. Ke zkoumání hlavně povrchových vrstev materiálů se dají využít jaderné metody. I v našem Ústavu jaderné fyziky AV ČR se studují různé pokročilé materiály s využitím svazků iontů z urychlovačů nebo neutronů z reaktoru.

 

Nutné je studovat pravděpodobnosti reakcí neutronů s různými materiály, které jsou součástí tokamaků nebo štěpných systémů. Ve fúzních reakcích i rychlých štěpných reaktorech nebo urychlovačem řízených transmutorech vznikají neutrony s daleko vyšší energií, než je tomu u klasických termálních reaktorů. A pro tyto energie často chybí experimentální data o reakcích neutronů s různými materiály. Pro jejich studium je potřeba mít neutronový zdroj s přesně definovanou energii neutronů. Takový zdroj neutronů založený na urychlovači a lithiovém terči máme u nás v ústavu. Nejen zde, ale i na neutronových zdrojích v zahraničí, realizují měření naši studenti, jak jsem psal i v článku na Oslovi.

Výzkum elektronických součástek, celých přístrojů i robotů, kteří jsou schopni pracovat v radiačním prostředí, je také nezbytný pro oba směry jaderné energetiky. I k tomu se dají využít reaktory, urychlovače nebo zdroje neutronů nebo záření gama. S tím souvisí i vývoj a využití prostředků dozimetrické kontroly.

 

Radiační odolnost materiálů potřebných pro ITER a DEMO i produkce tritia v reakcích neutronů s lithiem se bude studovat na speciálním zařízení, které projekt ITER doplňuje. Buduje se v Japonsku pod zkratkou IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility). Zde budou dva urychlovače deuteronů, které na lithiovém terči vytvoří velmi intenzivní svazky neutronů s energií okolo 14 MeV, což je energie neutronů, které se produkují při slučování deuteria a tritia. V současné době se pracuje hlavně na prototypu lineárního urychlovače, který bude toto zařízení využívat. Výsledky budou zajímavé jak pro fúzní, tak i štěpnou komunitu.

 

Jednotlivé komponenty budoucího tokamaku ITER už jsou v Cadarache (zdroj ITER).
Jednotlivé komponenty budoucího tokamaku ITER už jsou v Cadarache (zdroj ITER).

Pro popis termodynamiky i interakce částic s prostředím se využívají obdobné simulační programy. Jejich rozvoj a benchmark je také důležitou společnou činností.

 

Hybridní systémy

Zajímavým příkladem vyústění synergií mezi štěpnou a fúzní energetikou by se mohly stát hybridní systémy. Jak už bylo několikrát zmíněno, je termojaderný reaktor intenzivním zdrojem neutronů. Ty se využijí k produkci tritia z lithia. Mohou se však využít jinak. Pokud by se do blanketu okolo vakuové nádoby umístily kromě tritia i transurany z vyhořelého jaderného paliva, získáme podkritický štěpný systém, který je řízen vnějším zdrojem neutronů. Ten by přispěl i ke zvýšení produkce energie. Jeho hlavní výhodou by však bylo, že by umožnil energeticky využít a spálit jaderný odpad. Zmenšil by se tak jeho objem, který by musel do trvalého podzemního úložiště. Z tohoto pohledu by doplnil štěpné reaktory čtvrté generace a urychlovačem řízené transmutory. Urychlovačem řízené štěpné technologie jsou popsány v již poměrně starém článku na Oslovi a podrobněji se k současné situaci v této oblasti vrátíme někdy příště.

 

První návrh takového hybridního systému uvažoval Andrej Sacharov, i když u něj šlo dominantně o úvahy zlepšit produkci energie a využít uran. V současné době je spíše atraktivní možnost vyřešení problémů s vyhořelým jaderným palivem. I když ani energetický přínos by z pohledu ekonomiky termojaderné elektrárny nemusel být k zahození. Samotná termojaderná část by nemusela být tak efektivní a produkovat tolik energie, dohnalo by se to energií ze štěpení. Otázkou však je, jak by se na takovou kombinaci fúzního a štěpného systému dívali protijaderní aktivisté.

 

Schéma tokamaku ITER (zdroj ITER).
Schéma tokamaku ITER (zdroj ITER).

Závěr

V současné době se realizují kroky, které by mohly znamenat průlom v oblasti realizace termojaderné fúze. Po dokončení budovy začala montáž tokamaku ITER. Je velmi pravděpodobné, že již v roce 2025 začne intenzivně zkoumat vlastnosti plazmatu potřebného k zapálení fúzní reakce. Od roku 2035 pak bude fungovat s tritiem jako fúzní reaktor. K tomu, aby jeho uvedení do provozu proběhlo co nejrychleji, nejefektivněji a plynule, slouží výzkumy na současných tokamacích. Mezi ně patří i COMPASS v Ústavu fyziky plazmatu. Na těch nejmodernějších, a hlavně těch, které se teprve projektují, se zkoušejí i pokročilejší technologie, než se využily pro ITER. Jde například o elektromagnety využívající vysokoteplotní supravodivost. Ty by mohly přispět k tomu, aby byl budoucí termojaderný reaktor kompaktnější a méně náročný na energie. Kromě tokamaků se podařilo dosáhnout značného pokroku u stellarátoru. Do snahy vybudovat menší fúzní zařízení se zapojují i soukromé firmy. Je tak možné, že se podaří uskutečnit technologický průlom a ITER jinou cestou předběhnout. Nelze však na to spoléhat. Pokud půjde cesta k termojaderné elektrárně přes ITER, je třeba počítat s tím, že první reálná prototypová fúzní elektrárna DEMO nebude nejspíše před rokem 2050. Komerční termojaderné elektrárny tak nelze čekat před polovinou století a bude se jednat o zařízení s velkým výkonem. Doplní tak energetický mix a pomohou s náhradou fosilních paliv. Předpokládám však, že štěpné reaktory nevytlačí.

Psáno pro servery Osel a oEnergetice.

 

Přednáška o potřebnosti a budoucnosti štěpné energetiky, kterou jsme měli s kolegou Janem Horáčkem


Datum: 17.05.2020
Tisk článku

Energie bez konce - Vynálezy, koncepty, řešení - von Rétyi Andreas
 
 
cena původní: 279 Kč
cena: 234 Kč
Energie bez konce - Vynálezy, koncepty, řešení
von Rétyi Andreas
Související články:

Reaktory IV generace     Autor: Vladimír Wagner (16.05.2008)
Co říkají nové informace o zařízení E-Cat Andrea Rossiho?     Autor: Vladimír Wagner (16.10.2014)
Současný stav a budoucnost jaderné energetiky     Autor: Vladimír Wagner (03.09.2017)



Diskuze:

Jedno heslo....

Milan Vnouček,2020-05-20 07:04:20

"Fůzní elektrárna bude stát za 30 let."
- podobné články jsem četl v VTM už v 80 letech, takže bych si to heslo dovolil trochu poupravit
"Fůzní elekrárna bude stát za 30 let a ne jinak"

Odpovědět


Re: Jedno heslo....

Pavel Brož,2020-05-20 11:46:47

Ano, lidstvo nikdy neumělo dobře předvídat rychlost vývoje vědy a techniky, a netýká se to zdaleka jenom fúzních elektráren, ale také třeba dobývání kosmu, rozvoje robotiky a mnohých dalších oborů. Hezkým dokladem toho jsou sci-fi knihy a filmy, jako Vesmírná odysea 2001, Terminátor, Blade Runner a mnohé další. Vývoj ve vědě a technice opravdu nešel zdaleka tak překotně, jak to autoři těchto děl tehdy předvídali.

Oproti tomu v jiných oborech se rychlost vývoje naprosto podstřelila, anebo vznikly obory a technologie úplně nové, které nikdo nepředpovídal, jako mnohé IT obory včetně internetu, GSM sítě, spousta převratných biotechnologií, atd.. Dívat se na nějaké staré sci-fi filmy, jak tam budoucí pozemšťané komunikují pomocí nějakých pravěkých technologií, bývá kolikrát utrpení.

Takže takhle to je, křišťálovou kouli bohužel stále ještě nikdo nevynalezl, a do té doby, než vynalezena bude, holt bude přetrvávat tato bída v (ne)přesnosti předpovědí vědeckého a technického vývoje.

Odpovědět


Re: Re: Jedno heslo....

Milan Vnouček,2020-05-21 08:10:06

:-) Na univerzitě jsem používal pro měření kouli dřevěnou... pokud výsledek nevyšel dle očekávání, dalo se to svést na ní s vysvětlením, "že co by chtěli od dřevěné koule, když mi nepořídí křišťálovou" potažmo s dodatkem "cucání výsledků z prstu mam zakázáno, je to nehygienické"

Pokrok v této oblasti už možná existuje jen o něm ještě nevíme - pokrok je většinou o tom implementovat jinou technologii tam kam to nikdo nepoužil - viz příspěvek výše o 3D tisku aktivní zóny reaktoru - pokud se jim toto hraní podaří, a budou si hrát z dostatečným množstvím reaktorů, tak ten minireaktor bude :-)

Odpovědět


Re: Re: Re: Jedno heslo....

Pavel Brož,2020-05-21 21:26:29

S Vaší poslední větou ("Pokrok v této oblasti ..." atd.) lze určitě souhlasit, ale sám bezesporu víte, jak důležité je pro její platnost slůvko "pokud". Spousta nových objevů ve vědě vznikla pouhým hraním, kdy nebylo jisté nejen to, jaký konkrétní výsledek to hraní přinese, ale někdy ani to, jestli vůbec nějaký výsledek přinese. To hraní je samozřejmě důležité. Jenom na tom hraní ale věda nestojí. Obrovská spousta výsledků ve vědě, zcela určitě většina, přišla nikoliv na základě toho hraní (jehož obrovský význam v žádném případě nezpochybňuji), ale na základě systematické práce, kdy se vylepšovaly a posouvaly parametry už známých řešení, i když občas bylo nutné také udělat dílčí skok. Typickým příkladem je miniaturizace v elektronice, právě tato titěrná a více než půl století trvající evoluce (nikoliv revoluce, i když i zde byla spousta drobných revolučních mikroskoků) vedla ke všem těm moderním zázrakům techniky, které nás dnes obklopují a které už bereme jako samozřejmost.

Bylo by lákavé kdykoliv, když se objeví lákavý nový směr, tu starou evoluční vývojovou větev zastavit a věnovat se jenom tomu novému. Tak třeba opět co se týče té mikroelektroniky, zde za tu dobu byla spousta lákavých alternativ, které slibovaly v blízkých letech standardní mikroelektroniku pohřbít - byly zde návrhy optických počítačů, spintronických obvodů, holografických pamětí, a mnoha dalších směrů, jejichž prvotní potenciál se zdál být i několik řádů nad tím, který mohla slíbit ta standardní větev výzkumu. A kde dnes všechny ty návrhy jsou? V tom lepším případě v mnohem větším skluzu oproti té standardní větvi než byly v dobách svého vzniku, v tom horším případě jsou to dnes už definitivně opuštěné směry vývoje.

Cesta k řízené jaderné fúzi jejich realizací v tokamacích a také i ta jdoucí směrem těch extra výkonných laserů jsou příklady toho evolučního vývoje. Nekonají se zde žádné revoluce, ale neustále se posouvají ty parametry ke stále lepším, podobně jako se stále vylepšoval výkon spalovacího motoru - ani ten nepředstavuje žádný revoluční přelom, ale přesto zaplaťpánbu za to, že spalovací motory jsou dnes výrazně účinnější než jaké byly před třeba půl stoletím. Už před půl stoletím, dokonce ještě dříve, přitom existoval koncept elektrického vozu (ten se prosadil až nyní, přesněji ale řečeno, do masového používání mu stále ještě cca deset let chybí).

Takže když zopakuji závěr Vaší věty, tak pokud se těm výzkumníkům kolem 3D tisku aktivní zóny reaktoru jejich hraní podaří, bude to super a ten minireaktor bude. Pokud se jim ale nepodaří, bude zde stále ta standardní evoluční větev, která se bude dále zlepšovat, až nakonec bude využitelná coby stabilní (na rozdíl od OZE) zdroj energie nezávislý na Slunci a větru. Zdroj, který se časem zcela určitě využije např. při budování technologických parků na Měsíci, kde vítr neexistuje a kde Slunce vždy dva týdny svítí a dva týdny nesvítí, a který se také využije při pozdější kolonizaci Marsu.

Co se týče využití jaderné fúze zde na Zemi, jsem skeptický - její výzkum je příliš pomalý ve srovnání s už existujícími akumulačními technologiemi, takže zde na Zemi bohužel všechno časem převálcuje kombinace OZE a akumulace. Bude to samozřejmě strašlivě drahé, vyžádá si to násobné dotace než ty, které polyká fotovoltaický tunel - až se do deseti let rozjede v plné síle ten bateriový, budeme se slzou v oku vzpomínat, jak byl ten solární tunel levný. Jenže to tak bohužel skončí, málo platné.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Jedno heslo....

Pavel Nedbal,2020-05-21 22:11:46

Vážený pane Broži,
jsem sice naprosto skeptický k ITERu, ale aspoň nějaké přínosy budou třeba i pro jiné technologie. Co ale s Vámi nesdílím, je skepse k fúzi jako takové. Jednak ve spoustě zemí se výzkumu fúze dává priorita (konkrétně zmiňuji Jižní Koreu, ale není sama) a prostředky, ale také, nechci opakovat myšlenky jiných, je celá řada různých projektů, jak toho dosáhnout jinými cestami - viz v USA financování "INFUSE". Některé jsou evidentně slepými uličkami, ale jiné mají šanci, je to velmi lákavé pro bohaté investory i pro nadšence. Těch projektů v různém stadiu jsou desítky. Kromě toho se například podařilo velice zlepšit magnety a další potřebné komponenty. ITER z toho bohužel, jak je řízen a jak zastarává, nemůže nic použít. Takže myslím, že se jednoho dne dočkáme překvapení. Přeji těm úspěšným miliardy, které vydělají.
Metoda tzv. "OZE" (dávám do uvozovek, protože tak úplně OZE nejsou) a bateriových úložišť pro celou ekonomiku, výrobu, dopravu, vytápění by vyžadovala tak obrovská zařízení, řízení provozu, údržbu, likvidaci komponent, že je mimo velmi vybrané případy naprosto neschůdná. Baterie jsou limitovány jednak Faradayovým číslem, které nelze obejít, a také omezenou životností elektrodových systémů, membrán, separátorů, vždyť víte. A navíc by musel být takový systém dimenzován na nejhorší případy rozmarů počasí, dovedete si představit, že by třeba 15. února po temném a bezvětrném podzimu a zimě nastal třeba byť i jen čtrnáctidenní blekaut?
Ne, nesmíme to vzdát.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Jedno heslo....

Pavel Brož,2020-05-21 23:42:31

Pane Nedbale, mám to už přes rok spočtené, kolik by to stálo. Strašně moc, roční rozpočet ČR je proti tomu hadr. A vím velmi dobře, jaké jsou problémy se životností baterií. A nebojte se, jsem fanda jádra, a doufám, že si to jádro co nejdéle udržíme. Ale taky jsem realista.

Popíšu Vám, jak si myslím že to proběhne. Do deseti let se masověji rozeběhnou dotační programy na bateriová úložiště pro rodinné domy, nejprve jen pro novostavby, potom i pro starší domy. Tyto programy už sice v nějaké formě běží už dnes, ale zdaleka ne masově. Alespoň tato část bude mít své racionální odůvodnění, prostě majitelé novostaveb budou mít motivaci energii získanou např. ze solárů na střeše aspoň částečně akumulovat. Samozřejmě že vím, že je to z velké části Potěmkinova vesnice, protože akumulovat z fotovoltaiky lze nejlépe v létě, kdy není potřeba energie na vytápění, a stožár s větrnou turbínou si na střechu samozřejmě nikdo nepostaví. Nicméně poptávka po tom bude a stát vyjde vstříc.

V druhém kroku budou chtít dotace také obyvatelé paneláků a činžovních domů, u nich sice bude poměr střešní plochy využitelné pro fotovoltaiku k počtu bytů velmi malý, ale taky si řeknou. Přidají se kancelářské budovy, úřady, školy, atd.. O dotace si postupně řeknou samozřejmě také podniky, když už se přece bude rozdávat, tak proč by ony měly přijít zkrátka, budou celkem oprávněně argumentovat.

Rozvoj akumulace podnítí další stavby poté už víceméně zbytných solárních a větrných zdrojů. Jejich investoři budou argumentovat právě tím, že jimi vyrobená energie nepřijde vniveč, když přece všude kolem jako houby po dešti (samozřejmě ale zalévané nikoliv deštěm, ale dotačními bilióny) přibývají ty akumulační kapacity. Vznikne začarovaný kruh, kdy se budou stavět další redundantní OZE protože pro ně potenciálně budou odběratelé, a kdy se zároveň budou stavět další baterie, protože pro ně budou existovat plniči energie.

Toto celé neproběhne najednou, ale během cca třiceti lety, nejpozději ale do čtyřiceti let bude po všem. Všude bude spousta baterií a spousta redundantních OZE, které budou zoufale bojovat o přežití, během dalších deseti let se to nějak pročistí a sedne do nějaké té rovnováhy. Cena elektřiny se poté nebude v reálných cenách příliš lišit od té dnešní, akorát budeme mít zaneřáděnou krajinu jednak větrníkama, jednak solárama, a jednak spoustou bateriových úložišť, která budou asi tak častá jako dnes logistické sklady - vlastně v likvidaci estetické funkce krajiny budeme pokračovat ve stejných šlepějích, ve kterých kráčíme dnes, nic moc se nezmění.

Určitě bych si raději přál, aby místo spousty těchto zdrojů existovalo pár stabilních a na plochu nenáročných jaderných zdrojů. Bylo by to mnohem efektivnější a levnější, nezničili bychom si krajinu, nevyházeli bilióny za rádobyekologické nesmysly, jejichž ekologická stopa v tom množství ve skutečnosti řádově převýší ekologickou stopu toho jádra. Ale nestane se tak. Víme proč. Protože Německo půjde tou nejadernou cestou a Česko se chtě nechtě bude muset přidat, protože všechny návazné evropské mechanismy budou nastaveny ve prospěch toho německého.

Mohu se samozřejmě plést a všechno může dopadnout naprosto jinak.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Jedno heslo....

Pavel Nedbal,2020-05-22 19:40:59

Vážený pane Broži,
ty úložiště pro rodinné domy, to je jen takové cukrátko, když si nějaký sluneční den budou moci říct: dneska jsem si elektriku vyrobil sám. Ale o to větší nápor na zatížení sítě bude, až baterku vybije, nebude svítit slunce a budete se muset připojit k síti. To jsou takové metody, jak zvětšovat rozdíl mezi nízkým a vysokým zatížením sítě, což je horší, než ustálený stav. Kromě toho, životnost baterek klesá s počtem cyklů, kdy dojde k vyšší hloubce vybití. Takže tak to nepůjde. Zkuste si udělat i jen pouhé úložiště na ten nejlevnější "noční" tarif, rozvodná firma po troše dohadování Vám dá slušnou cenu, a mimo tento tarif krmte 100% dům z baterek. Ani ten cenový rozdíl Vám baterky nezaplatí (kdyby zaplatilo, už by to měl skoro každý). To jsou vlhké sny zelených, decentralizovaná energetika/samozásobitelství. Možná budou časem trochu lepší akumulátory, ale zázrak nečekejme. Tudy cesta nevede

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Jedno heslo....

Pavel Brož,2020-05-22 23:20:55

Vážený pane Nedbale, já to velmi dobře vím, že ta úložiště pro rodinné domy jsou jenom takové cukrátko. Jenže dnes už skoro povinnost. Vy jste nezaregistroval letošní Směrnici o energetické náročnosti budov? Ona už má své praktické dopady pro stavitele nových domů, pokud nesplní řadu absurdních kritérií, tak jednoduše nedostanou stavební povolení. Tak např. pokud nechcete topit pevnými palivy ani plynem, tak si budete muset nechat povinně do projektu naplánovat soláry na střechu, optimálně s tou akumulací. Opravdu si myslíte, že si ty baterie bez ohledu na to, že je to opravdu jenom Potěmkinova vesnice, lidi nebudou pořizovat, když je stát tlačí do těch solárů? Samozřejmě že budou, když už budou muset mít soláry, tak si hodně lidí pořídí i ty baterie, aby tu v létě přes den nevyužitelnou světelnou energii využili aspoň večer na vaření a ohřev vody.

Vy tvrdíte, že tudy cesta nevede. Já netvrdím, že vede, nebo že má vést, pouze tvrdím, že tudy povede. Prostě když se bude něco nesmyslně dotovat a zároveň zřizovat zákony podobné té letošní energetické směrnici, tak půjde i to, co normálně žádný smysl nemá. Můžeme se o tom přít, můžeme s tím i nesouhlasit, ale to je asi tak všechno, co s tím můžeme dělat.

Osobně jádru fandím, a budu velice rád, pokud se podaří postavit ty nové bloky aspoň v Dukovanech, ideálně i v Temelínu, ale tam moc nedoufám. Za ty nové bloky budeme ještě velice rádi, až budeme procházet tím energeticky turbulentním obdobím, kdy ty masově pořizované a dobíjené akumulátory budou zpočátku tu síť naopak destabilizovat. A kdy zároveň tu síť budou destabilizovat nové větrné a solární zdroje. Budeme ještě rádi, že máme pro aspoň třetinu spotřeby elektrické energie spolehlivé a předvídatelné zdroje, ušetří nám to spoustu blackoutů, kterým se jiné země nevyhnou. Nevěřím ale na zázraky, tento stát nechce stavět jaderné bloky, pokud by chtěl, stály by už dávno. Tento stát chce dělat něco jako chytrá horákyně, ani nestavět, ani nezakázat, prostě protahovat všechno co nejdéle a kopat maximum věcí do autu. Pokud vyhlásíte podporu jádru, vzedme se mezi voliči vlna odporu. Pokud vyhlásíte zákaz jádra, vzedme se vlna odporu mezi jinými voliči. A teď babo raď. Z pohledu politiků je proto nejlepší nedělat nic, a přesně to se děje.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Jedno heslo....

Pavel Nedbal,2020-05-23 21:52:12

Nařízení pro metody jak posuzovat spotřebu budouv si vymysleli gretenisti v EU a my to dali do předpisů, protože.. musíme poslouchat.
Vy si myslíte, že až si někdo spočítá, co ho obnova opotřebených baterek bude stát, a že se to nevyplatí, tak se přesto plácne přes kapsu a vrazí do toho další peníze? To jen nadšenci, kterým v peněžence dostatečně chrastí, nebo to mají jako hobby. Nebo rekuperace vzduchu. Až zjistí, že největšími žrouty energie jsou trvale běžící ventilátory, vypnou je a budou normálně větrat okny.
Jediný smysl je použít při stavbě co nejlepší dostupné materiály a hlavně si dohlédnout, aby je správně použili stavaři. Dobře si pamatuji když jsem stavěl, jak zedníci chtěli vzniklou mezeru v tepelně izolačním porothermu vyplňovat úlomky cihel a maltou. Ale hned jak jsem to viděl, to museli ubourat a udělat pořádně.
A nezanedbatelným faktorem jsou ženské, které potřebují vysokou teplotu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Jedno heslo....

Pavel Brož,2020-05-23 22:25:11

Pane Nedbale, nezlobte se, opravdu to nemyslím zle, když napíšu, že na mě působíte jako snílek argumentující racionálností těch či oněch kroků. Já se naopak celou dobu bavím o vítězství iracionality v reálném světě, přesně v tom světě, ve kterém reálně žijeme, ne v nějakém vysněném ideálním světě. Vy jste nezaznamenal vítězství zelené lobby, když se svého času prosadil solární tunel za cca 1 TeraKč, který se bude splácet ještě dlouhá léta? Nebo jste nezaznamenal, že v důsledku absurdně nastavených pravidel na dotace OZE dochází na evropské energetické burze opakovaně k situacím, kdy výrobci elektřiny musí platit za to, aby si ji někdo odebral, tj. k občasným záporným cenám energie, kdy se navíc přednostně musí omezovat stabilní předvídatelné zdroje jako jádro ve prospěch těch nepředvídatelných OZE? Vy snad na této situaci vidíte něco racionálního? A pokud stejně jako já na ní nic racionálního nevidíte, můžete vysvětlit pramen Vaší víry že od teďka už vše půjde v racionálních kolejích?

Co se týče těch opotřebených baterek, tak až si někdo spočítá, že se mu se zelenými dotacemi vyplatí ty baterky pořídit byť jen do konce jejich životnosti (a to se mu vyplatí), tak si je pořídí, a po skončení jejich životnosti je vyhodí, protože na ně další dotace nedostane. Anebo do konce jejich životnosti může klesnout jejich cena natolik, že se mu vyplatí koupit nové i bez dotací. Protože ten dotyčný neví, jaká bude cena baterií po uplynutí jejich životnosti, tak do toho s těma dotacema půjde, chybu neudělá, buď ty baterky pak vyhodí bez náhrady, nebo si pořídí nové mnohem levnější. Navíc to zvedne tržní cenu domu, pokud by ho chtěl prodat, tak udá že to má soláry a baterie. O ekologii samozřejmě nepůjde, půjde jenom o to rozdělování peněz. Kde v tom vidíte na straně toho stavebníka problém? Snad morální?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Jedno heslo....

Pavel Nedbal,2020-05-24 14:20:31

Já o voze, Vy o koze.

Odpovědět

Pístové reaktory

David Lintymer,2020-05-19 18:19:02

Zdravím. Nemáte také informace o pokroku na poli "pístových" inerciálních reaktorů? Svého času se o tom psalo jako o nadějné/zajímavé cestě, třeba tady General Fusion https://generalfusion.com/technology-magnetized-target-fusion/
díky
dl

Odpovědět

Poděkování

Pavel Brož,2020-05-17 21:22:57

Děkuji za velice hezký článek! Velice poučné je porovnání těch výkonových parametrů termojaderné reakce ve Slunci kontra těch v tokamacích. Na Wikipedii zde https://cs.wikipedia.org/wiki/ITER se uvádí, že ITER bude generovat 500 MW výkonu z půlgramové směsi deuteria a tritia po dobu 1000 sekund – ve skutečnosti z energetické bilance deuterium-tritiové reakce zjistíme, že průměrný výkon během těch 1000 sekund bude jen třetinový, těch 500 MW bude zřejmě špičkový výkon, ale o to nejde, počítejme ale raději s tím průměrným výkonem cca 167 MW. Každopádně ale vidíme, že zatímco v nitru Slunce dává kilogram hmoty jen cca 0,19 mW, v ITERu se bude docilovat průměrný specifický výkon 334 GW/kg, tedy výkon na kilogram bude v ITERu 1,75x10^15 násobek toho ve Slunci, tedy o patnáct řádů větší.

Odtud vidíme, že v tokamacích bude probíhat dosti diametrálně odlišný proces ve srovnání s tím probíhajícím ve Slunci – dokonce ani reakce nebude táž, protože termojaderné reakce ve Slunci probíhají za účasti i slabých interakcí na rozdíl od těch v tokamacích, a společné budou oba procesy mít pouze to, že se v obou využije energie ze slučování lehčích jader na těžší. Je to trochu podobné, jako když mnohé organické sloučeniny vyrábíme průmyslově v odlišných reakcích a procesech, než jak je syntetizují živé organismy, a to proto, že originální přírodní proces by byl buď málo efektivní anebo neekonomický.

Každopádně zvládnutí řízené termojaderné reakce bude důležitý milník v technologickém vývoji lidstva, a to bez ohledu na to, jestli pro potřeby pozemské energetiky nakonec nepřeváží kombinace OZE a akumulace. Pokud totiž lidstvo chce dříve či později kolonizovat kosmický prostor, pak se bez termojaderných zdrojů neobejde, protože na dlouhých meziplanetárních, natož mezihvězdných misích nebude moct spoléhat ani na energii větru, ani tu sluneční, a jediná realistická varianta bude využití energie termojaderné – paliva pro ni je ve vesmíru dostatek.

Odpovědět


Re: Poděkování

Pavel Hulva,2020-05-18 09:29:39

Připadá vám odpovídající financování této "alchymie"?

Odpovědět


Re: Re: Poděkování

Pavel Brož,2020-05-18 10:21:21

No, ohledně té údajné alchymie, že nejde o alchymii se dá snadno prokázat tím, že předchůdci ITERu už dokázaly krátkodobě produkovat více fúzní energie, než byl příkon potřebný pro ohřev plazmatu, takže pokud nechcete připustit existenci perpetua mobile, tak ta energie opravdu šla z toho slučování jader. O alchymii tudíž opravdu nejde.

Co se týče financování, tak celý projekt řízené fúze považuji za dlouhodobě velice podfinancovaný, což se dá snadno ukázat přepočtením příspěvků participantů na ITERu vzhledem k jejich standardním ročním výdajům na vědu a techniku. To je také důvod, proč si myslím, že minimálně ten mezinárodní projekt ITER a následně DEMO nabere další velká zpoždění, díky čemuž bude v reálné energetice předstižen kombinací OZE a baterií, kteréžto kombinaci nejsem nakloněn vzhledem k její obrovské náročnosti na plochu krajiny, kterou znehodnotí. Nicméně podle mě to tak nakonec dopadne, protože mezinárodní projekty se širokou účastí zemí jsou prostě ze své podstaty zatíženy takovou mírou byrokracie, že jsou strašně moc zpomaleny. Pokud by třeba program letů na Měsíc realizovaný USA v šedesátých letech měl být prováděn coby mezinárodní projekt, tak by dodnes byl Měsíc tělesem, na které zatím nevstoupila noha člověka.

Mnohem větší šanci na úspěch proto budou mít národní projekty, zejména ty chystané v Číně, snad také v USA a možná časem i v Japonsku (v Evropě s velkou pravděpodobností ne, bohužel). Ačkoliv bych si přál opak, ITER podle mě bohužel skončí jako muzeum vývoje jaderné fúze. Bezesporu se v něm docílí celá řada velice významných milníků na cestě k prakticky využitelné jaderné fúzi, ale štafetu od něj časem převezmou ty národní projekty, a ty věřím celou věc nakonec dotáhnou do úspěšného konce, určitě ale ne dříve než v polovině tohoto století.

Odpovědět


Re: Re: Re: Poděkování

Pavel Hulva,2020-05-18 10:42:13

Bavíme se tu stále o topení pod kotlem a roztáčení turbíny přehřátou párou?
BTW. To chození po měsíci nás dovedlo kam? K Muskovi?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Poděkování

Vladimír Wagner,2020-05-18 12:29:37

Pane Hulvo, právě měsíční program vedl ve Spojených státech k extrémnímu zrychlení rozvoje řady technologií. Řada z nich se teprve při něm dostala na úroveň, že byla vhodná pro řadu aplikací. A teprve po dosažení této úrovně se teprve zjistilo, kde všude by se mohla hodit. A není to jen profláknutý teflon nebo fotovoltaika. Dnes jsou i kosmické aplikace opravdu každodenní součástí života lidí. Jak píši níže, podle mého názoru je právě touha po poznávání motorem lidské civilizace. Je mi jasné, že vy toto nesdílíte, je to Vaše právo a asi Vás o tom těžko s Pavlem Brožem přesvědčíme.

Odpovědět


Re: Re: Poděkování

Vladimír Wagner,2020-05-18 10:54:09

Pane Hulva, možná by bylo dobré posadit tyto věci do kontextu. Celkové náklady na ITER by měly být okolo 30 miliard EUR. Olympiáda v Londýně (nebyla ta nejnákladnější) stála 15 miliard EUR. Letadlová loď USS Gerald R. Ford stála 13 miliard dolarů. Mrakodrap Burdž Chalifa stál 1,3 miliard dolarů. ZA cenu ITER by byly zhruba čtyři jaderné bloku III. generace. Roční podpora fotovoltaiky jen u nás je více než miliarda euro ročně.
A je třeba, že ITER není jen fúze, ale je to i obrovský impuls v aplikacích supravodivých magnetů, aplikací využití plazmatu a tepelně i radiačně odolných materiálů i elektroniky a robotů. Ty najdou využití v řadě aplikačních oblastí. O tom proč je důležitý základní výzkum a ITER je už vlastně na cestě od základního k aplikovanému, jsem psal v souvislostí s LHC: https://www.osel.cz/3962-proc-potrebuje-nase-civilizace-urychlovac-lhc-a-hrozi-nam-od-nej-nebezpeci.html .

Odpovědět


Re: Re: Re: Poděkování

Pavel Hulva,2020-05-18 11:16:17

Proč nefinancovat jednotlivé obory zvlášť, třeba dojdou dále než podřízené jednomu cíli o kterém ani není jisté jestli existuje.
O nesmyslnosti lidského počínání nemá cenu filozofovat, ale že v tom budete pomáhat se mi příčí.
Mimo to, jestli dobře chápu tak ta částicová fyzika je především o matematice, taky chápu jak lákavé může být ověřit ty počty v praxi, ale za jakou cenu? Nešlo by to v "menším" měřítku?
A nebo jde zase o něco úplně jiného?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Poděkování

Vladimír Wagner,2020-05-18 12:20:52

Částicová fyzika opravdu není především o matematice, i když pochopitelně přispěla k rozvoji řady matematických metod obrovským způsobem. Pochopitelně můžete pochybovat o smyslu lidského poznávání, Může se Vám zdát zbytečné vynakládat prostředky na poznání vesmíru a jeho historie, na poznání struktury hmoty, na poznání historie a někdy i extrémní náklady na záchranu a renovaci památek či jejich zkoumání. Určitě řada lidí považuje za zbytečné náklady na záchranu řady ohrožených druhů živočichů. Zvláště, když vůbec není jisté, jestli možnost jejich záchrany existuje. Pochopitelně lze všechny cíle nad prostým přežíváním a čirým přímým užitkem označit za nesmyslné a nehodné financování. A řada lidí to také dělá. Jsem moc rád, že mezi ně nepatřím. Protože podle mě, a je mi jasné, že Vy s tím souhlasit nebudete, veškeré schopnosti a možnosti lidské civilizace přinesla právě touha člověka po poznávání.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Poděkování

Pavel Hulva,2020-05-18 13:13:58

Nee, chtěl jsem jen říct, že by šlo ty peníze využít efektivněji než těmito megalomanskými projekty. Ten teflon a panely nezapomněli mimozemšťané na měsíci, ne. :)
Doufám, že nedojde k tomu vesmírnému měření milionů km s přesností na .....mm?
Děkuji za článek a diskuzi.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Poděkování

Pavel Brož,2020-05-18 21:16:18

Pane Hulvo, on už Vám Vladimír Wagner napsal, že Vás on ani já nepřesvědčíme, abyste změnil svůj pohled na základní výzkum, a já k tomu dodávám, že by mě nikdy ani nenapadlo se o to pokoušet, prostě život je příliš krátký na to, než aby ho člověk marnil v bezcílných diskuzích. Nicméně k Vašemu návrhu na to nepodřizovat snažení v jednotlivých oborech jednomu cíli, tak k tomu přece jen něco dodám.

Velké projekty mají hodně much, točí se kolem nich obrovitánská byrokracie, také co se týče řízení jsou to neflexibilní molochy, a je u nich pravidlem, že dochází jak k podstatnému posunování termínů, tak ke zvyšování nákladů. Přesto všechno mají jedno obrovské kouzlo, které volnému výzkumu nepodřízeného nějakému „velkému“ centrálnímu cíli chybí – a to jsou právě ty termíny. Pokud např. chystáte misi na Měsíc, nebo dostat na oběžnou dráhu kolem Země Hubbleův teleskop, anebo uvést do provozu obří částicový urychlovač, anebo detekovat neutrina anebo gravitační vlny, tak každý takovýto obří projekt vyžaduje vyřešení, a to až do úspěšné realizační fáze, spousty dílčích úkolů. Jednou potřebujete vybrousit s přesností na několik atomárních rovin obrovské zrcadlo, jindy potřebujete o dva řády zlepšit přesnost některých detektorů, ještě jindy musíte umět vyřešit zpracování gigantického množství dat v reálném čase, a podobné příklady by zabraly mnoho stránek textu. A všechny tyto věci musíte dokončit do nějakého konečného data. Samozřejmě, někdy se nepovede, a někdy i malá dílčí drobnost v nějakém suboboru může zdržet celý hlavní projekt. Ovšem pokud se to stane a nenajdou se dostatečně objektivní důvody proč se tak stalo, mívá to konsekvence, dotyčné dílčí pracoviště o ten úkol přijde a dostane ho pracoviště jiné, přičemž dopad na reputaci původního pracoviště bývá dost zásadní.

Nyní porovnejme s typickým stavem výzkumu v ČR ještě za bolševika, tj. se stavem, který byla snaha po revoluci změnit, bohužel ne vždy se povedlo. Takže za minulého režimu zde bylo opravdu veliké množství vědeckých pracovišť, kde se nic moc nedělalo. Existuje celá řada metod, jak měřit kvalitu vědecké práce, od rentability výzkumu až po citační indexy, bohužel drtivá většina tehdejších vědeckých pracovišť propadala naprosto ve všech typech těchto měření. Drtivé většině pracovníků to vyhovovalo, ono se jako bádalo, v pracovní době přitom ten dotyčný klidně mohl stavět barák anebo si spravovat auto (nezřídka s využitím erárních zdrojů) či cokoliv jiného. Byli samozřejmě i tací, byla jich menšina, kterým tento stav nevyhovoval, a kteří přesto chtěli ve svém oboru něco dokázat. Těm byly typicky házeny klacky pod nohy, protože úspěch se v české kotlině neodpouští. Kolikrát jedinou možností pro ty poctivé vědce, pokud chtěli opravdu ve svém oboru něco dokázat, byla emigrace.

Po revoluci se toho hodně změnilo hlavně v tom směru, že jednak emigrace už byla legální, a jednak se otevřely obrovské možnosti v komerční sféře, spousta nadnárodních firem podporujících vlastní výzkum začala totiž působit i v Česku. Viděl jsem hodně talentovaných lidí sbalit si švestky a dát české vědě sbohem, buď odchodem do ciziny anebo do soukromé sféry. I nadále platí, že je zde v České Republice spousta pracovišť, jejichž výsledky jsou nevalné, a kde jim naprosto vyhovuje, že jejich pracoviště není zapojeno do žádného mezinárodního projektu. Naštěstí i dnes platí, že jsou zde stále i pracoviště, která jsou zapojená do celé řady mezinárodních výzkumných úkolů a která v této spolupráci vykazují spoustu zajímavých výsledků, mezi těmito pracovišti je např. i pracoviště Vladimíra Wagnera.

Je samozřejmě jasné, že ta pracoviště, která do žádného mezinárodního projektu zapojena nejsou, by uvítala, pokud by se všechny takovéto mamutí podezřelosti zrušily an blok či ještě lépe zakázaly. Byl by větší klid na práci přesně v tom duchu, v jakém probíhala na většinách vědeckých pracovišť během celého minulého režimu. Nebyly by žádné termíny, známí v grantových komisích by vždycky spolehlivě odklepli prodloužení grantu na něco, co je ve své podstatě o ničem, a nadále by se v klidu zkoumalo a zkoumalo bez jakýchkoliv výsledků. Což se v rámci těch obřích projektů dělá hodně špatně.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Poděkování

Pavel Hulva,2020-05-18 22:36:45

Chápu, Řež, materiál pro chlazení solí, výstup 2030.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Poděkování

Vladimír Wagner,2020-05-18 23:08:56

Víte pane Hulva, takže velké mezinárodní projekty, do kterých je náš ústav zapojen:
Experiment ALICE na urychlovači LHC, experiment i urychlovač fungují a přinesly řadu výsledků
Experiment HADES v GSI Darmstadt, také dokončen a přinesl řadu zajímavých poznatků, nyní se připravuje struktura FAIR tamtéž (podrobněji zde: https://www.osel.cz/10733-jak-se-podivat-do-nitra-srazejicich-se-neutronovych-hvezd.html )
Projekt KATRIN zaměřený na určení hmotnosti neutrina. Byl dokončen a měření právě začalo (podrobněji viz zde: https://www.osel.cz/10771-spektrometr-katrin-provedl-prvni-vazeni-nejlehci-zname-castice-neutrina.html )
Projekt evropského spalačního zdroje ESS v Lundu, který se dokončí v nejbližších letech a umožní intenzivní pokrok ve zkoumání materiálů a řady dalších aplikací s neutronovými svazky.
U nás v ústavu dělá spousta zajímavých aplikací při mezinárodní spolupráci třeba s archeology, zjistilo se třeba, že Tycho Brahe nebyl otráven nebo zajištění datování radiouhlíkem. I v tomto případě je potřeba sdružit prostředky a postavit větší i velké infrastruktury.
O těch výsledcích a zajímavostech jsem na Oslovi napsal kopu článků.
Víte, problém s Vámi a Vám podobnými je, že Vás poznání nezajímá a půvab krásy bádání a hledání jdou absolutně mimo Vás. Ale to je Vaše škoda, ne moje. Jen doufám, že ve společnosti bude stále dostatek lidí, které, na rozdíl od Vás, bude Vesmír a jeho taje okouzlovat a bude pro ně výzvou. Jen díky nim jde naše civilizace kupředu. I proto se snažím vědu popularizovat a i k tomu by měl přispívat Osel.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Poděkování

Pavel Brož,2020-05-19 12:17:03

Trošinku to odlehčím, aby to nebylo zase až tak moc vážné. Osel se opravdu snaží přispívat k popularizaci vědy. Jeho hlavním neúnavným motorem je jeho majitel, Josef Pazdera, jsme dlouholetí přátelé. Na rozdíl ode mě se oslu věnuje na full-time, dělá všechnu tu nevděčnou neviditelnou práci, která je nezbytná k tomu, aby to celé běželo. Čas od času se ho ptávám, proč tohleto všechno dělá, celé to Sisyfovské tlačení balvanu do kopce, když ví, že se ten balvan vždycky zase skutálí dolů. Odpovídá s úsměvem "aby národ nebyl blbej". Sám jsem mnohem zdrženlivější v úsudku než Josef, a tvrdívám, že mu na konci věty chybí slůvko celej.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Poděkování

Milan Vnouček,2020-05-21 09:16:55

Tak zrovna todle žádnej canc není, ten materiál "prostě neni" a pokud JE tak MONICR o kterém si řada lidí myslí, že ano bude NEJ. Tento materiál se ale jen obtížně spojuje - zavařit to skoro nejde, takže tady vidím ten pokrok třeba v tom 3D tisku - (další canc o kus dál pane kolego). ITER zní jako nesmyslný projek s bezedným financováním pro utopení miliard, ale on bude mít dopady právě i jinam... slyšel jste termín "swelling"? Tato záležitost zlikviduje v budoucnu víc jaderných elektráren než kolik stojí celý ITER a pokud by dal odpověď jen na tuto otázku tak to považuji za dobře investované peníze.

Odpovědět


Re: Poděkování

Florian Stanislav,2020-05-19 11:12:21

Povrch Slunce je asi 6E18m2, povrch ITER asi 2,5E3 m2, poměr tedy je 2,4E15. To je poměr zhruba stejný jako jste určil z výkonů na kg. Můj laický názor je, že termonukleární reakce v ITER je stejná, jako na Slunci. Energie Slunce je ve vyzařovaných fotonech, které ale opakovaným vyzařování a pohlcováním postoupí jen asi o 50 m dál od středu ročně. Takže zásadní rozdíl je v přenosu energie zevnitř ven vně reaktoru.

Odpovědět


Re: Re: Poděkování

Pavel Brož,2020-05-19 12:38:31

Pane Floriane, mýlíte se, ta reakce není stejná. Ve Slunci probíhá dominantně proton-protonový cyklus, viz zde https://cs.wikipedia.org/wiki/Proton-protonov%C3%BD_cyklus . Tato reakce má několik větví, ale ani jedna z nich není tou, která probíhá v tokamacích. Nejdůležitějším rozdílem je to, že na Slunci se v reakcích účastní i slabá interakce, ta způsobuje to, že se v reakci mění poměr protonů a neutronů, protože se protony mění na neutrony za vniku pozitronu a elektronového neutrina (přesně tuto - ale i opačnou - změnu má totiž slabá interakce na svědomí, provádí to konkrétně konverzí kvarku u na d za vzniku pozitronu a elektronového neutrina). Protože je slabá interakce ve srovnání se silnou interakcí opravdu slabá, měřeno pravděpodobnostmi příslušných změn když jsou protony dostatečně blízko sebe, tak právě proto tento stupeň reakce trvá v průměru těch 9 miliard let, jak píše Vladimír Wagner (ano, je to sice zvláštní, že průměrné trvání této části reakce trvá zhruba dvojnásobek současného stáří Slunce, ale je to opravdu tak, a je to strašně dobře, že naše sluníčko ve svém nitru přitápí takto zlehýnka, mnohem hmotnější hvězdy totiž mají veškeré své palivo spáleno za pouhých několik miliónů let).

Oproti tomu v tokamacích slabá interakce nikde nevystupuje, takže poměr počtu protonů a neutronů je po reakci stejný jako před reakcí. Z ekonomických i dalších důvodů se zde také slučuje nejčastěji deuterium s tritiem, šlo by teoreticky slučovat třeba i deuterium s vodíkem za vzniku helia3, což je jedna z částí toho proton-protonového cyklu, probíhajícího ve Slunci, ale bylo by to hodně nevýhodné. Obrovský nárůst v rychlosti jaderné fúze v tokamacích ve srovnání s tou ve Slunci je opravdu dán především tím, že není třeba čekat těch v průměru 9 miliard let na ten první krok reakce. 9 miliard let je 0,9x10^10 let, jeden rok má cca píx10^7 sekund, reakce v tokamacích trvá řádově stovky sekund, takže když znásobíte 0,9x10^10 krát 3,1x10^7 a vydělíte tou stovkou sekund, dostanete ten rozdíl v rychlosti reakcí o těch patnáct řádů. Sluníčko je zkrátka v tom spalování nesmírně pomalé, ale zaplaťpánbu za to.

Odpovědět


Re: Re: Re: Poděkování

Florian Stanislav,2020-05-19 14:44:25

No dobře, teploty jsou jiné, hustota protonů a jiných jader je jiná, rychlost reakce je podstatně jiná. Měl jsem na mysli to, že energetická výtěžnost procesu proton- protonového cyklu ( když už proběhne, účinnost přeměny má být asi 0,7%)) a Lithium -deuteriové přeměny u ITER je SROVNATELNÁ při přepočtu na jeden 4He.
https://cs.wikipedia.org/wiki/Proton-protonov%C3%BD_cyklus
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a5/Proton_proton_cycle.png/600px-Proton_proton_cycle.png
Hlavní energetický zisk je ve schématu označen ppI ( 3He + 3 He --> ..+ ) a ppII (7Li + 1H --->)
v konečném stádiu vzniká 4He stejně jako u ITER
"Srovnáním hmotnosti vzniklého jádra helia 4He a hmotností čtyřech protonů, které jsou zapotřebí k jeho vzniku, dojdeme k závěru, že 0,7% původních protonů se přeměnilo na energii. Tuto energii (celkem 26,73 MeV) si odnáší vzniklé fotony gama záření a vzniklá neutrina."
https://cs.wikipedia.org/wiki/ITER
, kde je třeba výchozí deuterium. 2H + 6Li -->2x 4He + 22,4 MeV, tedy na jeden 4He je asi 11,2 MeV.
Takže závěr: Energetická bilance těchto termonukleárních přeměn vztažená na jedno 4He je srovnatelná (asi poloviční u ITER), nelítá tam poměr 15 řádů.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Poděkování

Pavel Brož,2020-05-19 20:44:29

Ano, ale to jsem psal, že oba procesy, jak ten probíhající na Slunci, tak ten v tokamacích, budou mít společné to, že se využije energie získaná ze slučování lehčích jader na těžší. To je ale velmi široký pojem, a to, že ta charakteristická výtěžnost je podobná, je dané pouze tím, že se v obou procesech využije rozdíl v těch jaderných vazebných energiích. Sama tato skutečnost, že zdrojem získané energie je rozdíl v jaderných vazebných energiích, udává typickou škálu energií v přepočtu např. na to jádro helia (nebo ekvivalentně a univerzálněji na nukleon), kterou lze z reakce získat. To není ničím principiálně odlišné od třeba energie získané z klasického spalování různých paliv - v tomto případě tato energie pochází z chemických vazeb, a stejně tak jako ta termojaderná i ona určuje typické energetické škály využitelné energie přepočtené na jednotku hmotnosti.

Bylo by ale chybou si myslet, že jakýmkoliv slučováním lehčích jader na těžší získáme zhruba tutéž energii přepočtenou na nukleon. Pokud se podíváte na ten graf závislosti vazebné energie na jeden nukleon, tak je z něj jasné, že zdaleka ne každé slučování dá takovou výtěžnost, jako u těch reakcí, které probíhají ve Slunci nebo v tokamacích. Můžete sloučit třeba jádro helia s jádrem chromu a získat jádro železa, a stále získáte energii, anebo můžete sloučit dvě jádra křemíku na jádro niklu, a také budete energeticky v plusu - akorát ta vytěžená energie v přepočtu na nukleon bude rapidně nižší, nemluvě už o obrovském energetickém prahu, který bude nutné překonat k proběhnutí té reakce. To, že v tokamacích dostáváme řádově stejné energie na nukleon, jaké lze získat ve Slunci, plyne pouze z toho, že si ze všech možných termojaderných reakcí vybíráme jen ty nejvýhodnější. Podobně jako když chceme získávat energii spalováním, tak také ne každá látka, která hoří, je pro to vhodná, i zde si vybíráme ty nejvhodnější.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Poděkování

Florian Stanislav,2020-05-20 21:22:51

Pane Broži, nic takového jsem ani nenaznačil, jak píšete :"Bylo by ale chybou si myslet, že jakýmkoliv slučováním lehčích jader na těžší získáme zhruba tutéž energii přepočtenou na nukleon. Pokud se podíváte na ten graf závislosti vazebné energie na jeden nukleon, tak je z něj jasné, že zdaleka ne každé slučování dá takovou výtěžnost, jako u těch reakcí, které probíhají ve Slunci nebo v tokamacích...."
Nakonec i sám dáváte výtěžnost termojaderných reakcí na Slunci a v tokamacích do jednoho pytle. Z izotopů vodíku, helia a lithia vzniká jako konečný produkt helium. Takže srovnání energie na jeden vzniklý atom 4 He má smysl. O žádném chromu nebo železe jsem nepsal. Graf vazebné energie jádra na jeden nukleon včetně izotopů je jasný
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fb/Binding_energy_curve_-_common_isotopes-CZ.svg/440px-Binding_energy_curve_-_common_isotopes-CZ.svg.png
A se spalováním paliv, která hoří, to nemá společného nic. Do fosilních paliv se energie uložila poklidnou fotosyntézou. Prakticky všechna použitelná energie (kromě jaderné a termojaderné) pochází primárně ze Slunce.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Poděkování

Pavel Brož,2020-05-20 22:57:51

Ano, ale pořád se bavíme o tom, že tady máme nějaké kategorie reakcí. Jedna kategorie jsou reakce jaderné a termojaderné, druhá kategorie reakce chemické (pak zde máme ještě jiné kategorie, ale ty teď opomiňme). Obě dvě kategorie reakcí mají společné to, že se v nich využívá rozdíl ve vazebné energii. V případě jaderných a termojaderných reakcí jde o rozdíl ve vazebných energiích nukleonů v jádře, v případě chemických reakcí jde o rozdíl ve vazebných energiích elektronů v elektronových obalech. Každá z těch dvou skupin vazebných energií má své charakteristické škály, v případě jader jde typicky o megaelektronvolty na nukleon, v případě elektronových obalů jde typicky o elektronvolty na elektron. V obou kategoriích reakcí lze najít takové reakce, které jsou optimálnější v tom směru, že z nich získaná energie je co možná největší. V obou kategoriích reakcí také najdeme zdaleka ne optimální reakce, které sice stále mohou poskytnout kladnou bilanci té reakce, ale pro praktické využití se nehodí, čistě jenom z toho důvodu jsem jako příklad takových reakcí zmínil ten chrom a křemík. Není proto žádným překvapením, že když porovnáváme ty nejoptimálnější reakce uvnitř každé kategorie, dostáváme řádově stejné energetické výtěžky, protože počet těch optimálních reakcí je mnohem menší než počet všech možných reakcí.

Uvedu ještě jiný příklad - v každém živočišném i rostlinném organismu probíhá oxidace glukózy za uvolňování CO2 (u rostlin sice existuje i obrácený proces během fotosyntézy, ale ta probíhá jenom za světla, zatímco ta oxidace glukózy probíhá 24 hodin denně). Tato oxidace uvolňuje řádově stejné množství energie na atom uhlíku, jaké vzniká např. při pálení trávy nebo podobné biomasy. Přesto když ve speciálních kotlích pálíme biomasu, jde o úplně jiný proces, než jaký probíhá během dýchání v těch živočišných a rostlinných organismech. V prvé řadě rychlost té reakce je diametrálně odlišná, v druhé řadě pak celá ta kaskáda dílčích reakcí je v obou případech úplně jiná. Prostě jde o naprosto odlišný proces, ačkoliv energie uvolněná na jeden atom uhlíku je velmi podobná.

A přesně to jsem chtěl zdůraznit ve svém prvním příspěvku, kde jsem poukazoval na to, že v tokamacích probíhá diametrálně odlišný proces než ten ve Slunci, ačkoliv vytěžená energie přepočtená na nukleon (nebo ekvivalentně na helium, na tom opravdu nesejde) je řádově táž. Ta získaná energie je sice táž, ale jednak rychlost procesu se diametrálně liší (v tokamacích je o patnáct řádů vyšší), a jednak jednotlivé reakční kroky jsou odlišné (už jen v důsledku toho, že ve Slunci probíhají i s účastí slabé interakce, která je v tokamacích prakticky vyloučena).

Původ té energie uložené ve vazbách, ať už chemických nebo jaderných, už je úplně jiný příběh. Z tohoto pohledu obě dvě vazebné energie, jak ta jaderná či ta chemická, mají původ v gravitační energii, protože právě tato energie umožnila vznik těžších jader slučováním těch lehčích či přímo slučováním protonů, a v důsledku toho i uvolnění energie ve formě fotonů, která se na Zemi pak mohla poklidnou fotosyntézou ukládat do těch chemických vazeb. Ale nemuseli bychom se zastavit jenom u té gravitační energie, v hledání původu té energie bychom mohli jít ještě dále, až do dob Velkého třesku, kdy po rozpadu kvark-gluonového plazmatu vznikaly nukleony, které se za extrémních podmínek (např. když je gravitace dostatečně zmáčkne) umí vzájemně vázat a uvolňovat přitom energii.

Odpovědět

Vedení

Honza Skácel,2020-05-17 17:55:30

Pro mě je zajímavá informace o problémech mezi vedením a zaměstnanci jako jeden z důvodů minulých zpoždění u ITERu. Nějaký komentář o co zde šlo? Děkuji.

Odpovědět

Fůze

Ladislav Strnad2,2020-05-17 12:03:11

Velmi dobrej (jako vždy) článek, hezké čtení i pro poučeného laika.

Odpovědět

Neutrino

Ladislav Fekete,2020-05-17 06:11:48

Drobny preklep - v uvode v popise proton-protonoveho cyklu ma byt, ze spojenim dvoch protonov vznika deuteron, pozitron a elektronove neutrino (nie neutron).

Odpovědět


Re: Neutrino

Vladimír Wagner,2020-05-17 10:39:30

Díky za upozornění, poprosil jsem redakci o opravu.

Odpovědět


Re: Neutrino

Vladimír Wagner,2020-05-17 13:31:08

Když už se mi povedlo takové přepsání, tak možná zmíním jednu zajímavost. Neutrino mělo nějakou dobu název neutron. V době jeho předpovědi Paulim totiž ještě neutron objeven nebyl. Takže on sám ve svém proslulém dopise na konferenci fyziků v Tübingenu mluvil o neutrinu jako o neutronu. Zároveň představy v té době byly, že se jádra skládají z protonů a elektronů (aby vycházel náboj jader bez neutronů). Ale nevycházely pak spiny jader (protony, neutrony a elektrony jsou fermiony). Takže Pauli si myslel, že neutrino (také fermion) by také sedělo v jádře a vlastně by pak vyřešil problém se spiny jader složených z protonů a elektronů (přidala by se neutrina). Velmi brzy (během následujícího roku) však byl objeven neutron. Neutrino se tak stalo "malým neutronem" tedy italskou koncovkou neutrinem. Neutrony v jádře vyřešily problém se spiny jader a ukázalo se, že v jádře nesedí ani elektrony a ani neutrina, ale že vznikají při beta rozpadu.

Odpovědět


Re: Re: Neutrino

David Oplatek,2020-05-18 08:01:06

Mám dotaz. Co si mám jako laik představit pod pojmem "spin"? O co se fyzikálně jedná, jak se to projevuje? Našel jsem jen jakési vágní definice totálního abstraktna :) Děkuji!

Odpovědět


Re: Re: Re: Neutrino

Vladimír Wagner,2020-05-18 10:02:26

Odpověď na tuto otázku je na jedné straně jednoduchá a na druhé velmi složitá. Vše souvisí s tím, že při přechodu z makrosvěta do mikrosvěta přecházíme od klasické ke kvantové fyzice. Takže spinem je v makrosvětě moment hybnosti. Moment hybnosti Země je tak třeba dán vektorovým součtem momentu hybnosti daném její rotací a orbitálního momentu daného jejím pohybem okolo Slunce. Celkový moment hybnosti Sluneční soustavy je pak dán vektorovým součtem momentů hybnosti planet (zmíněný součet rotačního momentu hybnosti a orbitálního) a momentem hybnosti daným rotací Slunce. V mikrosvětě je spin (moment hybnosti) jádra dán vektorovým součtem vnitřních spinů (momentů hybnosti) jednotlivých nukleonů (protonů a neutronů) a jejich orbitálních momentů. U nukleonů, které mají poloměr okolo femtometru se na vnitřní moment hybnosti lze pořad ještě v jistém ohledu dívat jako na důsledek jeho rotace (i když to tak ve skutečnosti není), ale spin (vnitřní moment hybnosti) mají i elektrony, které jsou z našeho pohledu bodovými objekty.
Kvantová fyzika také způsobuje, že spin nemůže (jako je tomu u makroskopického momentu hybnosti) nabývat libovolných hodnot. Nabývá poločíselných nebo celočíselných násobků redukované Planckovy konstanty. Proto mluvíme o částicích s poločíselným spinem (fermiony) a celočíselným spinem (bosony). Orbitální momenty jsou vždy celočíselné. U spinu tak používám jednotku redukovaná Planckova konstanta (v SI by to byl joule krát sekunda, jako je tomu u jednotky momentu hybnosti).

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace