Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 34 – vyšlo 14. října, ročník 20 (2022)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Poslední úspěchy na poli fúze

Petr Kulhánek

Když se Ernestu Rutherfordovi v roce 1934 podařilo při ostřelování jader deuteriaDeuterium – těžký vodík, v jádře má jeden proton a jeden neutron. V průměru na Zemi připadá na 7 000 atomů normálního vodíku jeden atom deuteria. Jde o stabilní izotop vodíku. jinými jádry deuteria připravit helium 4, začalo být jasné, že by taková fúzníFúze – způsob získávání energie slučováním lehkých atomárních jader. Tento proces probíhá přirozenou cestou ve hvězdách. V pozemských podmínkách je základním problémem udržení plazmatu na potřebnou dobu. Může jít o tzv. inerciální fúzi (například iniciovanou laserem), kdy terčík na krátkou dobu drží pohromadě setrvačností nebo o fúzi udržovanou v magnetickém poli (tokamak, stelarátor, pinč). reakce mohla být zdrojem energie budoucnosti. Od té doby se fyzikové snaží zkrotit fúzi ve prospěch člověka. Cesta je to dlouhá a složitá, ale postupně se blížíme cíli. Obdobné reakce probíhají v nitru hvězd, proto se občas používá slogan „zapálíme Slunce na Zemi“, který je ale silně zavádějící. Ve Slunci fúzní reakce probíhají v jeho jádře a jsou stabilizované gravitací, Slunce má hmotnost 2×1030 kilogramů a gravitační tlak na jeho nitro je enormní. Na Zemi musíme využít jiné mechanizmy, plazma držet buď setrvačností nebo magnetickým polem, nelze využít – jako ve Slunci – pomalou fúzi dvou protonů, ale rychlé fúzní reakce dvou deuteronů nebo jader deuteriaDeuterium – těžký vodík, v jádře má jeden proton a jeden neutron. V průměru na Zemi připadá na 7 000 atomů normálního vodíku jeden atom deuteria. Jde o stabilní izotop vodíku.tritiaTritium – velmi těžký vodík, v jádře má jeden proton a dva neutrony. Jde o nestabilní jádro s poločasem rozpadu 12,32 let.. Ani podmínky fúzních reakcí ve hvězdách nejsou podobné těm pozemským. Na Zemi máme podstatně nižší koncentrace plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. a tento nedostatek je třeba kompenzovat mnohonásobně vyšší teplotou, než je ve hvězdách. Pozemské plazma je zmítáno celou řadou nestabilit a turbulencí, které znesnadňují využití fúzních reakcí v energetice. Přesto se vysněnému a téměř nevyčerpatelnému zdroji energie pomalými krůčky blížíme.

Fúzní reakce

Umělecká představa fúzní reakce. Zdroj: Guan Zhiwen, Dreamstime.

Fúze – způsob získávání energie slučováním lehkých atomárních jader. Tento proces probíhá přirozenou cestou ve hvězdách. V pozemských podmínkách je základním problémem udržení plazmatu na potřebnou dobu. Může jít o tzv. inerciální fúzi (například iniciovanou laserem), kdy terčík na krátkou dobu drží pohromadě setrvačností nebo o fúzi udržovanou v magnetickém poli (tokamak, stelarátor, pinč).

Inerciální fúze – uskutečnění fúze za pomoci setrvačnosti. Zpravidla jde o peletu (kapsli paliva v pevném stavu), na níž je namířeno velké množství laserů. Peleta se změní na plazma, v němž probíhá fúzní reakce tak dlouho, dokud plazma zůstává setrvačností v reakční oblasti. K největším zařízením pro laserem iniciovanou fúzi v současnosti patří systémy Gekko XII (Japonsko) a NIF (USA). Ke stavbě se připravuje evropský systém HiPER, jehož osud je značně nejasný.

Tokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025.

Stelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku.

Štěpení a fúze

Atomová jádra obsahují neutronyNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron.protonyProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. spojené do jediného celku silnou interakcíSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD).. Tato vazba je nejefektivnější (z pohledu vazební energie na jeden nukleonNukleon – společný název pro částice jádra (protony a neutrony). Jde o baryony složené z kvarků „u“ a „d“.) u jader železa 57Fe. Pokud chceme z jader energii získávat, můžeme buď větší jádra štěpit, nebo menší spojovat. Štěpná reakce dobře funguje v současných atomových elektrárnách, problémy s jaderným odpadem lze řešit jinými typy reaktorů, které dokážou zpracovat i nevyužité palivo ze současných elektráren (viz AB 9/202010/2020). Slučování jader (fúze) dobře funguje v nitrech hvězd a je hlavním zdrojem jejich energie. Uskutečnění fúze v pozemských podmínkách je dlouhodobým snem mnoha fyziků. Nejvíce se sází na deuterio-tritiové reakce nebo na deuterio-deuteriové reakce. Samotné deuteriumDeuterium – těžký vodík, v jádře má jeden proton a jeden neutron. V průměru na Zemi připadá na 7 000 atomů normálního vodíku jeden atom deuteria. Jde o stabilní izotop vodíku. jakožto palivo nových elektráren je téměř nevyčerpatelným zdrojem. V oceánech je jeden atom deuteria na 6 420 atomů normálního vodíku, což by energetické potřeby lidstva vyřešilo na desítky tisíc let. Současné pokusy s fúzí probíhají ve třech liniích. Inerciální fúzeInerciální fúze – uskutečnění fúze za pomoci setrvačnosti. Zpravidla jde o peletu (kapsli paliva v pevném stavu), na níž je namířeno velké množství laserů. Peleta se změní na plazma, v němž probíhá fúzní reakce tak dlouho, dokud plazma zůstává setrvačností v reakční oblasti. K největším zařízením pro laserem iniciovanou fúzi v současnosti patří systémy Gekko XII (Japonsko) a NIF (USA). Ke stavbě se připravuje evropský systém HiPER, jehož osud je značně nejasný. se snaží o dosažení parametrů fúze v malém objemu, v němž je fúzní reakce zažehnuta impulzem z mnoha laserůLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. Vzniklé plazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. drží po krátkou dobu pouhou setrvačností. Druhou skupinou jsou tokamakyTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025., v nichž je plazma drženo v toroidální nádobě jak vlastním polem výboje probíhajícího v plazmatu, tak pomocným polem generovaným cívkami. Poslední skupinou jsou stelarátoryStelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku., které k udržení plazmatu využívají magnetické pole generované výhradně cívkami, což umožňuje komplikovanější tvar nádoby a větší stabilitu plazmatu.

Fúzní reakce

Nejčastěji se uvažuje o deuterio-tritiové fúzní reakci. Zdroj: Foro Nuclear.

Poslední úspěchy

Dílčí úspěchy se dostavují ve všech způsobech dosažení fúzeFúze – způsob získávání energie slučováním lehkých atomárních jader. Tento proces probíhá přirozenou cestou ve hvězdách. V pozemských podmínkách je základním problémem udržení plazmatu na potřebnou dobu. Může jít o tzv. inerciální fúzi (například iniciovanou laserem), kdy terčík na krátkou dobu drží pohromadě setrvačností nebo o fúzi udržovanou v magnetickém poli (tokamak, stelarátor, pinč).. Co se stelarátorůStelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku. týče, v naší relativní blízkosti byl v německém Greiswaldu postaven obří stelarátor Wendelstein 7-X, v němž bylo první plazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. dosaženo v prosinci 2015 (podrobněji viz AB 3/2016). Nový reaktor se ale potýká s předpisy Evropské unie, takže není možné testovat fúzní reakce (pro fúzní zařízení platí stejné předpisy jako pro atomové elektrárny), dokud nebude postavena dodatečná betonová stěna chránící okolí před fúzními neutrony. Významný posun nastal i v inerciální fúziInerciální fúze – uskutečnění fúze za pomoci setrvačnosti. Zpravidla jde o peletu (kapsli paliva v pevném stavu), na níž je namířeno velké množství laserů. Peleta se změní na plazma, v němž probíhá fúzní reakce tak dlouho, dokud plazma zůstává setrvačností v reakční oblasti. K největším zařízením pro laserem iniciovanou fúzi v současnosti patří systémy Gekko XII (Japonsko) a NIF (USA). Ke stavbě se připravuje evropský systém HiPER, jehož osud je značně nejasný.. Na zařízení NIFNIF – National Ignition Facility, v současné době (2022) největší laserový systém, který se nachází v Lawrencově národní laboratoři v Livermoru (LLNL), v americké Kalifornii. Jedná se o zařízení, které bylo vybudováno v letech 1997 až 2009 pro výzkum termojaderné fúze pomocí takzvaného inerciálního udržení. Svého času byl NIF největší, míněno v objemu získaných financí, vědecký projekt v USA. Skládá se ze 192 laserových svazků o celkové energii 1,9 MJ (optické, na třetí harmonické), experimentální komory o průměru 10 m s mnoha diagnostickými přístroji (více než 120) a podpůrnými subsystémy (například ~400 MJ kondenzátorová baterie pro zesilovače laserů).Lawrencově národní laboratoři v LivermoruLLNL – Lawrence Livermore National Laboratory, slavná laboratoř patřící Kalifornské univerzitě. Založena byla v roce 1952. Jedním ze základních cílů bylo zajištění jaderné bezpečnosti USA. Dnes se podílí na experimentech z mnoha vědních oborů. se 8. srpna podařilo pomocí 192 laserů zažehnout deuterio-tritiovou reakci a dosáhnout teploty 128 milionů kelvinů. Energie dodaná lasery byla 1,9 megajoulu, energie získaná z fúzní reakce 1,3 megajoulu, tedy 70 % hodnoty pro kladnou energetickou bilanci termojaderné fúze (podrobněji viz AB 4/2022).

NIF

Americké zařízení NIF pro inerciální fúzi. Zdroj: NIF, LLNL.

K velkému posunu došlo také u tokamaků. Ve stavbě je největší tokamak světa ITERITER – původně zkratka pro „International Thermonuclear Experimental Reactor“, dnes se název odvozuje z latinského slova „iter“, které znamená „cesta“. Předpokládaný výkon reaktoru je 500 MW, stavba probíhá v blízkosti francouzského hradu Cadarache. Reaktor bude mít průměr 6 metrů. Tento dosud největší tokamak ITER by měl být uveden do provozu kolem roku 2025. Předpokládá se, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou první skutečné termojaderné elektrárny., který by měl být spuštěn kolem roku 2025. Díky předpisům EU musí proběhnout desetiletá perioda testování, než dojde k naplnění deuteriem a tritiem pro skutečné testování fúzních reakcí. ITER je důležitým mezikrokem ke stavbě prototypu termojaderné elektrárny DEMODEMO – DEMOnstration Power Station, ukázkový prototyp termojaderné elektrárny, který má být postaven po ověření základních principů na tokamaku ITER. Uvažuje se o výkonu 2 gigawatty a zprovoznění v druhé polovině 30. let 21. století. Vše ale závisí na úspěchu či neúspěchu tokamaku ITER, který má být zprovozněn po roce 2025. V současnosti není ještě dokončen ani návrh této elektrárny.. To je ale zatím hudbou budoucnosti. Nicméně i na v současnosti funkčních tokamacích dochází k pozitivnímu posunu. Na tokamaku EAST v čínské Hefei, který je v provozu od roku 2006, se podařilo docílit teploty plazmatu 100 milionů kelvinů a plazma přetrvalo 100 sekund. Vnější průměr komory je 1,85 metru, vnitřní 0,45 metru. Magnetické pole, které drží plazma, má hodnotu 3,5 tesla a proud protékající plazmatem je 1 megaampér.

V dnešním bulletinu se zaměříme na další úspěch, tentokrát dosažený na jihokorejském tokamaku KSTAR, kde se podařilo významně potlačit nestability plazmatu. Tento tokamak byl zprovozněn v roce 2008. Vnější rozměr komory je 1,8 metru, vnitřní 0,5 metru. Magnetické pole držící plazma má hodnotu 3,5 tesla a proud tekoucí plazmatem je 2 megaampéry. Ohřev plazmatu probíhá neutrálními svazky s výkonem 14 megawattů. V tokamaku byly testovány různé atypické konfigurace magnetického pole, jejichž cílem bylo co možná nejvíce eliminovat nestability v plazmatu. Jednou ze známých cest je dosažení tzv. H módu. Ukázalo se, že pokud překročí ohřev plazmatu neutrálními svazky určitou kritickou mez, dojde spontánně k přechodu plazmatu do stavu se sníženým množstvím turbulencí zejména v okrajových oblastech plazmatu. Detailní vysvětlení tohoto přechodu dosud chybí. H mód objevil německý fyzik Friedrich Wagner na tokamaku ASDEX v roce 1982. Jinou metodou snížení nestabilit je tzv. vnitřní transportní bariéra (ITB, Internal Transport Barrier). Při této metodě se mění profil tekoucího proudu tak, aby vzniklé pole pokud možno zabránilo transportu elektronů a iontů z centrální oblasti ven. Metoda má spíše experimentální základ, úplné teoretické vysvětlení, proč v centrální oblasti dojde ke snížení transportu nabitých částic a omezení turbulencí a nestabilit, chybí. Metoda je sice účinná, ale jen po krátkou dobu.

Jihoorejský tokamak KSTAR

Jihoorejský tokamak KSTAR. Zdroj: KSTAR, Univerzita v Soulu, NFRI.

Komora jihokorejského tokamaku KSTAR

Komora jihokorejského tokamaku KSTAR. Zdroj: KSTAR, Univerzita v Soulu, NFRI.

U korejského tokamaku KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) se pokusili využít výhody obou postupů a spojit H mod s vnitřní transportní barierou. Došlo sice ke snížení koncentrace plazmatu, ale omezení turbulencí a potlačení nestabilit bylo velmi významné, a to i po dlouhou dobu. Nový režim nazvali FIRE (Fast Ion Regulated Enhancement). V roce 2022 bylo v časopise Nature publikováno, že se korejským vědcům v roce 2021 na tomto tokamaku podařilo připravit plazma s teplotou 100 milionů kelvinů, které v tokamaku udrželi po dobu 20 sekund. Poté byli nuceni plazma zhasnout z důvodu hardwarových omezení, takže je pravděpodobné, že by výboj trval ještě déle. U experimentu ale není v tuto chvíli důležitá doba přetrvání plazmatu, ale výrazné potlačení nestabilit, které může být užitečné i pro stavěný tokamak ITER, u něhož se o vnitřní transportní bariéře uvažuje jako o alternativním režimu provozu.

Nepochybuji, že fúze je správnou cestou pro energetické zabezpečení lidstva. Někomu by se mohlo snad zdát, že je to cesta příliš zdlouhavá, ale výsledky výzkumu jsou více než slibné. Uvědomme si, že například od předpovědi existence gravitačních vln po jejich detekci uběhlo celé století. Fúzi se snažíme zkrotit teprve od poloviny padesátých let minulého století. Výzkum samozřejmě brzdí nečekané nestability plazmatu, technologické problémy, ale i nedostatek finančních prostředků a administrativní překážky. Pokud bude pokračovat sebevražedná politika Evropské unie a vlastně celé tzv. západní civilizace, není dokonce vyloučeno, že první úspěšné fúzní elektrárny spatří světlo světa v jiných končinách naší planety.

Simulovaný průlet kolem jihokorejského tokamaku KSTAR. Zdroj: NFRI.

Odkazy

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage