Termojaderná fúze

Termonukleární fúze (nebo též termojaderná) je jedním z alternativních zdrojů elektrické energie, namísto dnes hojně používaných tepelných a jaderných elektráren. Výhodou termonukleární fúze je, že neznečišťuje životní prostředí, při reakcích nevznikají škodlivé látky, neomezené množství paliva, a hodně energie za málo paliva. Ale když je to tak skvělé tak proč jí ještě nepoužíváme místo tepelných a jaderných elektráren? Inu proto, že není tak lehké tuto reakci vůbec nastartovat, natožpak řídit, proč? To si vysvětlíme dále.

Jak to vlastně funguje?

Už sám název napovídá o co půjde - Na reakci bude zapotřebí hodně tepla (termo)
Půjde o něco hodně malého (nukleární, jaderná)
bude se to slučovat (fúze)

Termonukleární fúze pracuje na přesně opačném principu než naše dnešní, jaderné elektrárny. Ty pracují na principu štěpení atomů, kdežto termonukleární fúze na jejich syntéze (sloučení, spojení), tedy na spojení dvou jader atomů v jedno těžší. Vzhledem k tomu, že vazební energie na jeden nukleon je u několika prvních a posledních prvků periodické tabulky nižší než u prvků v jejím středu, doprovází syntézu lehkých (a štěpení těžkých) jader uvolnění obrovského množství energie. Při spojení dvou protonů a dvou neutronů (a částice alfa) se uvolní přibližně 7 MeV na každý nukleon. Součet hmotností výchozích lehkých jader je větší než výsledná hmotnost po syntéze.

Nukleon – společné označení pro protony a neutrony

eV – elektronvolt, jednotka práce, která odpovídá práci vykonané na elektronu při pohybu potencionálním rozdílem jednoho voltu, má přímý vztah s pokusným měřením, jeden eV = 1.6x10-19 joulů

Na takovém principu také fungují hvězdy ve vesmíru, ovšem hvězdy sou velice žhavé, proto tam tyto reakce probíhají bez problémů, ale napodobit tyto reakce na zemi je více než složité. Proto TERMO jaderná fúze. Je k nim zapotřebí zhruba 1.5 – 3.0x107 K. A to ještě při slučování nejlehčích jader – vodíku a deuteria. Ve hvězdách se ale tato energie při přeměně vodíku na hélium. Jedná se o dvě skupiny reakcí, které zde ale nebudu vysvětlovat: uhlíkový cyklus a proton-protonový cyklus. Ale oba tyto cykly probíhají příliš pomalu, takže je nelze na Zemi prakticky využít. Rychlejší reakce sou ty, na nichž se podílí deuterium a tritium. Vzhledem k tomu že deuterium se běžně vyskytuje ve vodě, máme tedy v oceánech neomezené zdroje energie.

Deuterium – značka D, izotop(různé formy jednoho prvku) vodíku, jehož jádro se skládá z jednoho protonu a jednoho neutronu, jádro se nazývá deuteron,jinak se mu také říká těžký vodík.

Tritium – značka T, izotop vodíku, jádro se skládá ze 2 neutronů a jednoho protonu.

K tomu aby došlo je spojení dvou atomových jader je ovšem zapotřebí překonat ohromné odpudivé, elektrostatické pole, které od sebe jádra “odhání”. To je možné v případě, že reagující jádra mají vysokou kinetickou energii (tj. za vysoké teploty). Kinetická energie se zvyšuje s rostoucím atomovým číslem, proto je relativně méně složité vytvořit podmínky pro reakci jader s nízkým atomovým číslem. Stačí se podívat do grafu:

Hmotnostní číslo – nebo také nukleonové číslo, značka A, představuje součet atomového (protonového) čísla a počtu neutronů.

proto se počítá s vodíkem. V jeho případě je zapotřebí asi 0,1 MeV. Pak dochází k reakcím jader rychlostí, jež lze zaznamenat.
Tuto energii lze jádrům dodat při teplotách v řádu 108K. Za těchto teplot se látka nachází ve stavu zvaném plazma.

Plazma – 4. skupenství, plyn tvořený dokonale ionizovanými atomy, takže tvoří soustavu elektronů a kladně nabitých jader(vlastně roztavený plyn). Při dostatečně vysoké teplotě přecházejí všechny látky do plazmatického stavu

V plazmatu je pro částice typické tzv. rozdělení energie, proto tedy není nutné, aby průměrné energii jádra náležela energetická bilance 0,1 MeV. V takové látce bude totiž určitý podíl jader s energií vyšší než je průměr. Aby měla průměrná energie částice hodnotu 0,1 MeV musela by teplota dosáhnout asi 109K Při teplotě přibližně 2x107K je průměrná kinetická energie jádra asi 0,002 MeV, avšak řada jader má energii rovnou 0,1 MeV nebo i vyšší, a proto může i za této teploty dojít k syntéze. Aby tento druh reakcí našel praktické uplatnění, musí se uvolňovat více energie, než kolik se jí spotřebuje na nastartování takové reakce.
Již od 2. světové války se věnuje značné úsilí (a prostředků) na hledáni způsobů, jak řízeně využívat energii uvolňovanou při termojaderných reakcích. Zatím narážejí vědci na obrovské technické problémy spojené se spuštěním reakce, s uložením plazmatu i odebráním vzniklé energie. Problémy s uchováváním plazmatu jsou naprosto zřejmé , vždyť se jedná o extrémně vysoké teploty. Pevné látky se odpařují a ionizují ještě před dosažením teplot při níž může nastat syntéza jader. (asi 3,5x108K pro rekce D-D a 4,5x107K v případě reakce T-D)

Tyto reakce sem píši jen aby se trošku vědělo o co jde a pro někoho kdo by si chtěl rýpnout, nebo pokud by to někoho zaujalo:
1D2 + 1D2 ----- 2He3 + 0n1
1D2 + 1D2 ----- 1T3+1H1
1T3 + 1D2 ----- 2He4 + 0n
Čísla napsaná u značek prvků sou dohodnutě označené vlastnosti nuklidů, obecně: ZXA
Z – atomové (protonové) číslo
X – symbol prvku
A – nukleonové číslo
Počet neutronů je roven A-Z. Příklad: nuklid těžkého vodíku (deuterium) s jedním protonem a dvěma nukleony se zapisuje 1H2

Nuklid – druh atomového jádra, který charakterizuje jeho protonové a neutronové číslo

V termojaderných reaktorech je třeba při stabilizaci plazmatu využít elektrického a magnetického pole a zabránit jeho styku se stěnami nádoby (aby se to vše neproměnilo v plazmu), takové zařízení se nazývá tokamak a vypadá zhruba takto:

Pro vědce jsou rovněž zvlášť zajímavé možnosti syntézy jader za studena, kdy se jádra přibližují pomocí jiných metod, než je vysoká kinetická energie (vysoká teplota). Jednou z nich je laserová fúze neboli interní syntéza při níž se palivový článek stlačuje silným laserovým paprskem nebo svazkem částic.

Toto zařízení vypadá asi takto:

I zde je ovšem třeba se vypořádat s technickými problémy, zejména s nastavením paprsků.
Další pokusnou metodu je tzv. katalyzovaná mionová syntéza. Je to proces, při němž miony nahrazují v atomu deuteria elektrony. A protože “mionové” atomy deuteria jsou mnohem menší než běžné deuteriové atomy, mohou se navzájem i více přiblížit a usnadnit tak syntézu jader, vypadá to asi takto:

Při této reakci se miony uvolňují, takže se mohou uplatnit jako katalyzátory a podílet se na dalším jejím pokračování.

Mion – záporně nabitá částice, jejíž hmotnost je 207x vyšší než hmotnost elektronu, je nestabilní rozpadá se během dvou miliontin vteřiny, čímž je množství termojaderných reakcí, v nichž může působit jako katalyzátor, velmi omezené

Katalyzátor – i když tento výraz by všichni měli znát z hodiny chemie: jsou to látky, které se reakce přímo neúčastní, ale díky nim probíhá reakce rychleji, nebo naopak pomaleji
Jaderné zbraně
Skutečnost, že jaderné štěpení doprovází uvolnění velkého množství energie, vedla k výrobě jaderných zbraní. Jaderná reakce totiž vyvolává v porovnání s chemickým výbušninami mnohem větší explozi.
Řetězové reakci štěpné pumy (atomové), podléhá buď uran 235 nebo plutonium 239. K tomu je třeba spojit dvě nálože štěpného materiálu, z nichž ani jedna nedosahuje kritického množství hmoty. V takovém podkritickém množství hmoty se řetězová reakce nemůže uskutečnit, protože z ní uniká příliš velké množství neutronů.

Kritické množství hmoty – minimální množství štěpného materiálu, které umožní průběh řetězové reakce

Štěpný materiál – izotop určitého prvku, který podléhá samovolnému štěpení, nebo je schopen se štěpit po srážce s neutrony všech energií. Snadnost štěpení závisí na kritické energii a vazební energii po doplnění o jeden neutron. V případě 92U235 překročí energie po zachycení pomalého neutronu kritickou energii, proto patří mezi štěpné materiály, ovšem tento uran se v přírodě nenachází, v přírodě se nachází 92U238

Energie uvolněná při výbuch atomové pumy dosahuje řádově kilotun a vznikají teploty v řádu 108K. Část energie uniká v podobě paprsků gamma.

Termonukleární zbraně

Při syntéze deuteria a následném vzniku hélia se uvolňuje asi 400x více energie než při štěpení stejného množství uranu. Výbušné zbraně na principu syntézy jader se nazývají termojaderné (mají i další názvy: vodíková puma, termonukleární puma). Lze jimi způsobit výbuchy o síle převyšující 50 megatun.
Tyto zbraně uvolňují energii vzniklou při termojaderných reakcích, které probíhají za teplot kolem 3.5x107K. Těchto vysokých teplot lze dosáhnout při použití štěpné pumy (plněné uranem) a spustit tak termojadernou reakci velmi lehkých prvků, například vodíku a deuteria.

Kilotuna – jednotka výbušné síly rovné síly uvolněné výbuchem tisíce tun TNT

Paprsky gamma – typická je ještě větší pronikavost (asi 100x vyšší než u paprsků beta), elektrické ani magnetické pole toto záření nevychylují a je to druh elektromagnetického záření s vlnovou délkou kratší než rentgenové paprsky

Paprsky beta – velká pronikavá síla (asi 100x větší než u záření alfa) a tvoří je záporné částice (beta částice), bylo zjištěno že to jsou elektrony

Záření alfa – nedosahuje příliš velké pronikavosti (zastaví ho tenký kovový plech) a je tvořeno proudem kladně nabitých částic, bylo dokázáno, že záření tvoří proudy iontů hélia s dvojím nábojem (He2+) známé jako částice alfa

Nyní víme v čem tkví problém, proč tuto energii ještě nepoužíváme. Přesto jsou do ní vkládány největší naděje lidstva, ale ještě to chvilku potrvá. Ale ne až tak moc v roce 1991 na projektu JET v Oxfordu se totiž povedlo atomy spojit, experiment sice trval jen sekundu, ale dokázal, že je to možné.