Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

v minulém článku jsem se rozepsal o jaderných elektrárnách, fungujících na bázi řízené řetězové štěpné reakce a Ty jsi vyjádřil přání, abych něco napsal i opačném principu, tedy místo štěpení o slučování.

Slunce

Jako obvykle se fyzikové a inženýři inspirovali u přírody, náš nejbližší fúzní reaktor, podotýkám že přírodní, je právě naše Slunce. Určitě Tě napadne, že kdyby bylo slučování atomů do těžších prvků snadné, bylo by snadné trochu postrčit olovo a vyrobit si z něj zlato. Jenomže slučování brání silná elektrostatická bariéra, kterou tvoří kladně nabité protony uvnitř atomového jádra, tato bariéra dostala název Coulombova. A právě její překonání je důvod proč k jaderné fúzi je vyhrazeno pro pro místa s extrémním tlakem a teplotou, jako jsou nejvnitřnější části hvězd. A samozřejmě kvantová mechanika, i částice, která nemá dostatečnou energii se může kvantově protunelovat skrz Coulombovu bariéru. To platí jak na Slunci, tak v našich zařízeních a v důsledku to snižuje celkovou energii, kterou na fúzování potřebujeme.

V jádře naší hvězdy probíhá celá řada reakcí. První z nich je proton - proton, jde o reakci díky slabé jaderné interakci, extrémně málo pravděpodobné, je potřeba, aby se jeden proton změnil na neutron a tak vznikne deuteron + pozitron a neutrino. Jenom pro představu, jak málo je to pravděpodobné - jeden proton čeká 9 miliard let, než se z něj stane neutron. Deuterium je atom vodíku s jedním protonem a jedním neutronem. Oproti běžnému vodíku je tam navíc ten neutron, je to stabilní prvek a voda z něj je těžká voda.

Další reakce je právě deuteron s protonem za vzniku He 3 a fotonu. Tady jde o reakci nukleonů, takže silná jaderná interakce (foton je projevem elektromagnetismu), deutoron čeká v průměru čtyři sekundy. Protože vznik deuteronu je málo pravděpodobný, stejně tak je málo pravděpodobné, že potká jiný deuteron, zato protonů kolem něj lítá fůra. Kromě toho na ve slunečním jádře může vznikat He4, probíhat CNO a také Salpeterův cyklus, ale o tom jindy.

Důležité je shrnout, že když na začátku vesmíru bylo všude jenom vodík a trocha hélia, všechny další prvky vznikly právě termojadernou fúzí, ať už to bylo „pokojně“ v jádrech hvězd, nebo výbušně při explozích nov, supernov, kilonov atd.

Malé slunce na Zemi

Na Zemi se o zprovoznění malého slunce teprve pokoušíme. Je to hlavně díky teplotám, kterých musíme dosáhnout, žádný nám známý materiál je nemůže vydržet, proto musíme celou reakci držet nejlépe v magnetické pasti. Říkám nejlépe, protože to jde i jinak, ale o tom níže. Samotný reaktor je potom mezi několika ohni. Jednak v něm potřebujeme magnetické pole v jednotkách Tesla, k čemu jsou potřebné supravodivé cívky. A aby byly supravodivé, musí být ochlazené velmi hluboko pod nulu. Na druhé straně drží to pole plazmu v teplotách stovek miliónů Kelvina. Potom je tu další věc, celá kompozice rektoru je velmi delikátní a přitom uvnitř se uvolňují neutrony, které bombardují stěny reaktorové komory. Takže reaktorová komora musí být co nejlépe izolována, jenomže zase potřebujeme z ní odvádět teplo pro výrobu elektřiny. Kromě toho někudy musíme vypouštět produkty fúzní reakce, spaliny a dodávat do kotle nové palivo.

Potom je tu otázka, jak to celé zažehnout. Magnetickým polem můžeš v plazmatu vybudit elektrický proud a ohřát ho díky ohmickému odporu uvnitř látky (něco jako odporové topení). Potom se plazma zahřívá jako v mikrovlnce, vysokofrekvenčním radiovým zářením. A nakonec můžeš do reaktoru vpálit neutrální atomy, aby ses dostal někam k požadovaným 100 miliónů kelvinů. A to všechno děláme proto, aby jednotlivé atomy měly tak velkou kinetickou energii, díky které překonají Coulombovu bariéru.

Celému tomu se říká magnetické zadržování plazmatu. V současnosti existují dva různé typy zařízení, ten první, dá se říci klasický se jmenuje tokamak. Má reaktorovou komoru ve tvaru americké koblihy nebo plovacího kola. Na konci minulého tisíciletí se prosadil i nový směr, tzv. stelátory. Ty mají velice komplikovaný tvar reaktorové komory, asi jako když to plovací kolo různě zakroutíš. Jejich rozvoj umožnil až pokrok ve výpočetní technice, který dokázal patřičně spočítat vše potřebné pro magnetické pole stelátoru. Hlavní výhodou tohoto zařízení je lepší stabilita plazmatu a tím snadnější udržení fúze v chodu.

Co fúzovat?

To je klíčová otázka. Proto jsem přiložil tento obrázek:

Takže si můžeme vybrat. Nejdále jsou dnes pokusy s deuteriem a tritiem, má to vysokou energetickou výtěžnost a helium z fúze dále ohřívá plazmu. Ale tritium není snadné vyrobit a ani rychlé neutrony nejsou velký přínos, na ohřevu plazmy se nepodílí a bombardují stěny reaktorové nádoby. Další co vypadá dobře a možná ještě lépe je deuterium a He3. jenomže He3 také není snadné vyrobit, nicméně v budoucnu bychom ho mohli těžit na Měsící, kam bylo zaneseno slunečním větrem. Výhodou je produkce He4 a protonu, všechno to lze ovlivnit magnetickým polem. Nevýhodou je, že potřebujeme o dost vyšší teplotu pro rozjetí fúze.

Další, mezi fúzními startupy populární, rovnice je proton a bór. Opět výhodou je produkce He4, bórů máme hodně. Zásadní nevýhoda je opravdu vysoká teplota pro zažehnutí fúze, klidně i 1 miliardu kelvinů. Na tuto reakci vsází třeba HB11 Energy nebo TAE Technologies. Ti nedávno vyzkoušeli praktiky v japonském stelátoru LHD, že celý koncept funguje. Do plazmatu rozprášili mikročástice bórů a potom už dříve zmiňovanými injektory neutrálních atomů stříleli dovnitř vysokorychlostní protony a úspěšně detekovali tvorbu alfa částic, což je jiný výraz pro He4. Doposud se tato reakce studovala jenom v druhém typu zařízení, v zařízení s inerciálním zadržením plazmatu.

Hohlraum

Pod inerciálním zadržením plazmatu si můžeš představit malou dutinku, v něm zrníčko materiálu pro fúzi a gigantický laser. Ale ne jeden, ten laserový zášleh musí přijít ze všech stran a ohřát materiál tak, že vybuchne. Síla výbuchu stlačí zrníčko tak, že uvnitř něj začne fúze. Setrvačností to na zlomek času zůstane zmáčknuté a probíhá další reakce, ale pak to celé zhasne, musíš nabít lasery, dát nový materiál a znovu rána. Ve své podstatě jde o termojaderné mikro výbuchy, aby to celé zařízení ustálo, fúzní materiál se dávkuje po mikrogramech. A právě kapsle, ve které to mají konkrétně v National Ignition Facility (NIF) umístěno se jmenuje hohlraum.

A právě v NIF se v loni povedlo při jednom z pokusů vyprodukovat více energie, než kolik bylo potřeba na zažehnutí reakce, myšleno ale energii produkovanou lasery, ne celkovou energii potřebnou na nabití laserů. Můj osobní tip na budoucí elektrárnu je právě něco jako NIF, ne gigantický tokamak v podobě zařízení ITER, které se už desetiletí staví ve Francii. Což je také odpověď na to, proč se hned tak fúzní elektrárny nedočkáme.

I když: Nikdy neříkej nikdy, Microsoft podepsal s firmou Helion Energy smlouvu na dodávku energie z fúzní elektrárny, kterou hodlají realizovat do roku 2028. Nevím, na kolik je to ambiciózní plán, jejich zařízení je něco mezí tokamakem a urychlovačem, ve dvou komorách chtějí ohřát plazma z deuteria a He3 na 100 miliónů kelvinů a potom je vystřelit proti sobě a tak zažehnout reakci. Tak jim držme palce, ať to vyjde, zatím mají jenom plány a nic fyzického ještě nepostavili.