Udělej si sám: fúzní reaktor

Martin Tůma  |  Věda

Hvězdy podobné našemu Slunci spalují vodík na hélium v procesu zvaném termonukleární fúze. Už desítky let se vědci z celého světa snaží napodobit procesy probíhající v nitru našeho Slunce a vyrobit fúzní pícku pro pohon reaktoru. Jsou to technicky nesmírně náročné programy jako je ITER nebo NIF s rozpočty srovnatelnými s cenou Mezinárodní kosmické stanice. Přesto existuje celá řada nadšenců, přesvědčených, že to umí lépe a že si postaví fúzní reaktor v kůlně za domem.

S výrobou energie štěpením atomových jader máme dlouholeté zkušenosti. První reaktor s krycím názvem Chicago Pile – 1 poskládali tak trochu jako dětskou stavebnici na starém squashovém kurtu. I když od té doby urazily štěpné reaktory velký kus cesty a paliva do nich máme dostatek na celá staletí, jednou nám dojde.

ITER

Oproti tomu paliva pro fúzní reaktory máme neomezenou zásobu. Ale je tu velký problém. Jak štěpné tak fúzní reaktory totiž předávají energii reakce skrze rychlé neutrony. Zatímco klasický reaktor je v podstatě velký betonový hrnec na horkou vodu (někdy horké lithium či jiné chladící médium) a v horké zóně není nic kromě paliva a chlazení, fúzní reaktor je jiná káva.

Miliony kelvinů

Pro fúzi potřebujete mít dostatek energie, která překoná odpudivé síly a donutí dvě atomová jádra sloučit se v jedno. Výsledkem je potom jádro většího prvku (typicky při fúzi dvou atomů vodíku je to hélium) a jeden neutron. Jenže atomová jádra jsou kladně nabitá a navzájem se odpuzují poměrně velkou silou. Abychom překonali jejich neochotu se sloučit, potřebujeme hodně energie. A hodně energie znamená v tomto případě velmi vysokou teplotu. A to v řádech milionů kelvinů.

Termonukleární fúze

Takové horko nevydrží žádný materiál, všechno se okamžitě vypaří. Je proto jenom jediný nám známý způsob, jak horkou plazmu udržet: pomocí elektromagnetického silového pole. K tomu jsou potřeba silné magnety kolem reaktoru, ale ty musíme chladit na teplotu blízkou absolutní nule. Navíc neutrony vznikající při slučování atomových jader magnetické ochranné pole zcela ignorují. A ostřelování rychlými neutrony vede k degradaci materiálu magnetu, tím k oslabení magnetického pole a …

Avšak existuje jeden způsob, jak se vyhnout vysoké teplotě. Teď nemyslím studenou fúzi v kádince s těžkou vodou a paládiovým katalyzátorem. Bohužel, tento postup patří do sci-fi filmů. Mám na mysli uhlazení pohybu částic paliva. Přece jenom v reaktoru typu tokamak se atomová jádra srážejí víceméně náhodně, a proto musí být ohřátá na velmi vysokou teplotu, aby docházelo ke srážkám s dostatečnou energií na sloučení.

Farsnworth-Hirschův fúzor

Kutilové proto sázejí na jiný způsob fúze, založený na zvláštní aplikaci urychlovače částic – na Farsnworth-Hirschův fúzor. Usměrněním chaotického pohybu částic paliva se docílí až o několik řádů vyšších energií vzájemných srážek, než je tomu u ITERu. Na konstrukci reaktoru je poznat, že u jeho zrodu stál televizní technik. Ve své podstatě je to velká kulovitá elektronka podobná těm ve starých televizích.

Rozdíl v napětí mezi vnější a vnitřní elektrodou potom urychluje a vyhlazuje vzájemný pohyb iontů paliva, a tím dochází k fúzi za studena. Elektrostatické pole zároveň udržuje palivo uvnitř elektronky. Problém ale je s vnitřní elektrodou, která je neustále ostřelována urychlenými částicemi, a díky tomu čemuž rychle degraduje.

Fúzní reaktor vyrobený studenty

Tento problém se snaží vyřešit pomocí různých koncepcí a variant konstrukce na dané téma výzkumníci i kutilové po celém světě. Sami se o tom můžete přesvědčit na stránkách www.fusor.net. Asi nejdále je koncept polywell, což je akronym pro polyhedron a potential well. Polywell nepotřebuje mít vnitřní elektrodu; místo toho formuje elektromagnetické pole reaktoru pomocí velkých supravodivých cívek MaGrids, jak je vidět na tomto obrázku.

WB-6

Magnetické pole těchto cívek tvoří zrcadlo, od kterého se odráží plazma zpátky do horké zóny. Za vývojem polywellu stál americký fyzik Robert W Bussard. Pro americké námořnictvo postavil v roce 2005 prototyp WB-6 se šesti cívkami o napětí 12,5 kV. Toto napětí udělí deuteronům (jádrům těžkého vodíku) energii kolem 10 keV a v reaktoru dojde k produkci zhruba 10e9 neutronů za sekundu. Nicméně tato hodnota je odvozena od detekce několika neutronů při běhu reaktoru a není jasné, jestli vůbec dokáže reaktor vyrobit více energie, než jí spotřebuje pro svůj chod.

U WB-6 se to už nedozvíme, protože tento prototyp byl zcela zničen masívním zkratem. Současné Farnsworth-Hirschovy fúzory mohou sloužit jako zdroj neutronů pro laboratorní zařízení. Pro komerčně zajímavou výrobu elektrické energie by bylo potřeba postavit zhruba desetkrát větší model za 100–200 miliónů dolarů. Bussard se toho bohužel nedožil, ale americké námořnictvo pokračuje ve výzkumu i nadále se společností EMC2, kterou Bussard založil v roce 1985. A tato společnost je velmi, velmi skoupá na informace. Možná i proto, že zatím výsledky neodpovídají očekáváním.

Co říci závěrem: Určitě je možné si doma na koleně postavit něco jako fúzní reaktor, ale budoucnost patří ITERu. A pokud si doopravdy vyrobíte Farnsworth-Hirschův fúzor, mějte prosím na paměti, že rychlé neutrony jsou zdraví více škodlivé, než kouření a přehnané opalování dohromady.

Foto: Wikipedia.org a William Jack

Nejčtenější