20.5.2019 | Svátek má Zbyšek


VĚDA: Fúzujem, fúzování milujem

19.2.2011

Termonukleární fúze je fyzikální jev, který formoval a formuje vesmír do podoby takové, v jaké jej dnes pozorujeme. Krátce po Velkém třesku v okamžiku převládla ve vesmíru hmota nad zářením. Potom vesmír ještě dále chladl a začaly vznikat prvky jako je vodík, hélium nebo lithium. Celkem fádní, z toho moc věcí neposkládáte. Ale pak začaly vznikat první hvězdy a v nich termonukleární pece začaly spékat dohromady jádra složitějších prvků. A výbuchy supernov potom vychrlily do vesmíru prvky periodické tabulky, jak je známe dnes.

Kdybychom dokázali kontrolovaně napodobit proces, který probíhá v nitru hvězd, a přiměli dva atomy vodíku, aby se sloučily na atom hélia, získáme tím úžasně vydatný zdroj čisté energie. Ale to není tak jednoduché.

Nechuť k jaderné intimitě

Abychom přiměli dva atomy vodíku uzavřít registrované partnerství v atomu hélia, potřebujeme k tomu hodně energie. Nejdříve je totiž musíme zbavit slupky, kterou tvoří jejich elektronový obal. Naštěstí mají jenom jeden elektron, tak to jde celkem snadno. Potom je tu ale další oříšek. Jádra jsou kladně nabitá a pokud jste někdy zkoušeli dát k sobě dva stejné póly magnetů, tak víte, že se navzájem odpuzují. Podobně se navzájem odpuzují i tato dvě atomová jádra vodíku, odborně se tomu říká, že potřebujeme překonat Coulombovu bariéru (Coulomb je pán, který experimentoval s elektrickým nábojem. Prosím, neplést s poručíkem Columbem). A právě tuto nechuť k intimnímu jadernému sblížení musíme překonat. Prozatím na to existuje jenom jeden přístup – narvat do toho energii, energii a zase energii, dokud nedojde ke sloučení.

Můžete to zkusit na ruský způsob přes ohřev plazmy v silném magnetickém poli – zařízení Tokamak, teď se pracuje na mezinárodním programu Internation Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), který si klade za cíl postavit první funkční prototyp fúzního reaktoru. Pokrok ale brzdí nedostatek financí. Další přístup je americký - naprat do toho energii pořádně silným laserovým impulsem. Výzkumy probíhají v National Ignition Facility (NIF). Třetí způsob je součástí hybridních atomových reaktorů, kdy energii na fúzi čerpají ze štěpné energie – jádro reaktoru je obaleno ještě jednou vrstvou materiálu, v kterém dochází k fúzi. A samozřejmě není možné opomenout jediné v praxi používané řešení jaderné fúze – ve vodíkových bombách. Prozatím rekord drží Rusové s výkonem 10 MT (ekvivalent 10 miliónů tun TNT). I když to bouchlo nad Sibiří, tak to prý vyrazilo okna i v Moskvě, a pak už podobných pokusů nechali. V této souvislosti je potřeba podotknout, že NIF je americká náhrada za pokusné výbuchy. Spíše než termonukleární fúzi zde zkoumají lepší a účinnější atomové bomby.

Fúze za studena

Odpradávna mezi námi existují lidé, kteří se domnívají, že fyzikální zákony pro ně neplatí. Teď nemám na mysli řidiče s kmotrovskými poznávacími značkami, kteří se domnívají, že setrvačnost a brzdná dráha jsou jenom pověrečných slabochů a pro ně neplatí. Myslím na jedince, kteří se domnívají, že Coulombovu bariéru nemusí překonávat, ale dá se obejít.

Problém ale není tak jednoduchý, jak se zdá. Faktem je, že se do toho začíná plést kvantová mechanika a jev zvaný kvantové tunelování. Pro praktickou aplikaci nemusíme chodit daleko, stačí zvednout ve dne oči k obloze. Naše Slunce provozuje fúzi také na principu kvantového tunelování, jinak by už zřejmě dávno vyhořelo. A tak se „vědci“ různě na světě snaží dát dohromady zařízení, které by přes nějaký katalyzátor či nám ještě neznámý fyzikální princip dokázalo sloučit vodík na hélium za pokojového tlaku a při pokojové teplotě.

Asi nezjnámější jsou Martin Fleischmann a Stanley Pons, kteří v roce 1989 ohlásili, že při pokusech s elektrolýzou těžké vody pomocí elektrod z paládia pozorují mírný přebytek tepla. Tento přebytek vysvětlovali právě jevem studené fúze. Bohužel se tento pokus nikomu nepovedlo zopakovat tak, aby získal nějaké průkazné výsledky.

Letos se objevila zpráva o týmu italských fyziků, kteří nejenže mají zařízení pro studenou fúzi, ale dokonce chystají v brzké době výrobu prototypů a po nich i do roku či dvou chtějí rozjet komerční produkci fúzních článků. Dokonce již na veřejnosti předvedli svoje zařízení, kdy fúzi zajišťuje proud vodíku dopadající na nikl + nějaké tajemné příměsi a modulace napájení. Zařízení přitom má mít úžasnou energetickou výnosnost, kterou prezentují ohřevem vody. Více o tomto zařízení je zde.

Ale mnohem spíše než o vědce se jedná o kouzelníky – iluzionisty. Především jde o to, že se nijak nedaří detekovat produkty fúze, jak izotopy mědi, která by měla vzniknout při sloučení niklu a vodíku, stejně jako gamma záření, které je dalším produktem fúze. Dá se říci, že kdyby opravdu docházelo k fúzi, už by všichni lidé v místnosti nejspíše byly dávno po smrti kvůli nemoci z ozáření. I když doposud nebyl odhalen trik, na jehož principu tu vodu zahřívají, nejpravděpodobnější vysvětlení je, že se jedná o specifický druh nikl-vodíkové baterie a energie nepochází z fúze, ale z chemické reakce. Více o tom, proč jde o podvod najdete zde.

Reálná fúze za studena

Přes všechnu skepsi existují postupy zařízení, které dokáží přimět jádra atomů k fúzi za nízkých teplot. Jedno z těchto zařízení je popsáno zde.

Jiné zařízení, v dnešní době velmi populární mezi amatérskými badateli v oboru fúze za studena, je tzv. polywell. V podstatě jde o to, že místo víceméně náhodného pohybu jednotlivých atomových jader vůči sobě využijeme elektrického pole k usměrnění pohybu a navedeme jednotlivá jádra vůči sobě do srážky. Potom nemusíme dosahovat tak velkých energií, jako je tomu u tokamaku, a vystačíme si s podstatně subtilnějším zařízení.

Kromě amatérských nadšenců provádí výzkumy na tomto poli i americká armáda, která hodlá v tomto roce financovat výstavbu prototypu polywell 9. Více se o tom může dočíst v tomto článku.

Ale ani zde by nás neměla opouštět skepse. Prozatím se nepovedlo nikomu zprovoznit toto zařízení tak, aby dodávalo více energie, než spotřebuje, a místo jako reaktor je používáno jako zdroj neutronů. Navíc konstrukce fukčního prototypu naráží na celou řadu protikladných požadavků: potřebuje udržet řídící magnety při co nejnižší teplotě velmi blízko horkého plazmatu, jak vyřešit degradaci materiálů magnetu prolétajícími neutrony, jak do systému načerpat palivo a odčerpat z něj „vyhořelou“ směs. Jak je vidět, je toho k řešení opravdu více než dost, uvidíme, jak se s tím v budoucnu konstruktéři poperou a jakých výsledků dosáhnout.

Jediným nám známým způsoben, jak rozjet fúzi za studena, zůstává proces zvaný mionová katalýza. Mion je podstatně hmotnější sourozenec elektronu, pokud u atomu vodíku nahradíme elektron mionem, tak se drží mnohem blíže jádra. Zároveň má celek elektricky záporný náboj, takže k sobě může přitáhnout kladné jádro jiného vodíku, a to tak blízko, že díky tunelovému jevu dojde s velkou pravděpodobností ke sloučení v jádro hélia. Celé to ale vázne na tom, že nemáme levný a dostupný zdroj mionů, takže jde opět o fúzi, která spotřebovává více energie, než jí vyprodukuje, a to díky nárokům na výrobu mionu v urychlovači.

Více o této reakci je zde.

Závěr

Prozatím vše nasvědčuje tomu, že technologii pro jadernou fúzi jako zdroj energie hned tak po ruce mít nebudeme. Ale není třeba věšet hlavu. I když všichni doomsayeři straší s vyčerpáním zásob fosilních paliv a na to navázaným krachem naši civilizace, skutečnost není tak černá. Může nás zachránit atomová energie, při rozvoji tzv. Toriového cyklu máme relativně snadno dostupné zdroje paliva na příštích několik tisíc let a pokud k tomu přidáme likvidaci vyhořelého paliva, jako je například zde, můžeme si zajistit čistý a levný zdroj energie na dlouhá léta. Jenom se to chce věnovat výzkumu, fyzice a matice místo přivazovaní se na vrata atomových elektráren. Nezbývá než nám do budoucna popřát hodně štěstí.



Diskuse


J. Sinnreich
23:52
20.2.2011

J. Václavíková
0:20
21.2.2011

V. Kopta
1:36
20.2.2011

B. Rybák
10:53
19.2.2011

P. Fiala
17:32
19.2.2011

B. Uhlich
19:26
19.2.2011

P. Fiala
10:07
20.2.2011

B. Uhlich
10:14
20.2.2011

F. Eliáš
23:05
20.2.2011

B. Uhlich
0:12
19.2.2011

počet příspěvků: 10, poslední 21.2.2011 12:20









 Neviditelný pes
Toto je DENÍK: do sítě jde obvykle nejpozději do 8.00 hod. aktuálního dne. Pokud zaspím, opiji se, zešílím nebo se zastřelím, patřičně na to upozorním - neboť jen v takovém případě vyjde Pes jindy, eventuálně nikdy.
Šéfredaktor Ondřej Neff (nickname Aston), příspěvky laskavě posílejte na adresu redakce Jiřímu Wagnerovi, redaktorovi NP (nickname JAG). Rubriku Zvířetník vede Lika.