Nové směry jaderné fúze - soustředěná plasma

středa 4. listopad 2009 05:37

K průmyslovému využití tzv. jaderné fúze vede ještě velmi dlouhá cesta. I kdyby se podařilo technologicky zvládnout fúzi samotnou, hlavní překážky bránící jejímu využití jsou především dvě: A) špatné využití vznikající energie, která je produkovaná převáženě ve formě rentgenového záření a rychle letících neutrálních částic (především neutronů), které lze jen obtížně zabrzdit a převést na užitečné teplo B) vznikající rychlé neutrony, postupně přeměňují materiál reaktoru v radioaktivní zářič a ovlivňují jeho vlastnosti narušováním krystalické mřížky. Tyto problémy se ve reaktorech, jako je plánovaný ITER, samostatně řeší - ale naštěstí ne všechny typy fúzních reakcí a reaktorů mají tyto nepříznivé vlastnosti.

Jedním z nich je technologie plasma focus fusion (fúze se soustředěnou plasmou), která používá tzv. HB11 palivo: neutronově neutrální směs vodíku a izotopu boru 11 B, kterého je v přírodní boru asi 80%. Bor je v přírodě běžně dostupný prvek, ve velkém množství se vyskytující v mořské vodě (v koncentraci přibližně 5 mg/l). Ačkoliv se to může zdát poměrně málo, izolace boru z mořské vody je levnější, než izolace deuteria, jehož vlastnosti se od obyčejného vodíku liší jen nepatrně. Fúzí protonů a boru by měla vznikat prakticky čistá směs alfačástic bez neutronů (viz animace níže). V reálných podmínkách však v důsledku rezonančních procesů excitovaných jader přece jen určité množství neutronů vzniká, vznikající množství je však řádově stokrát nižší, než u jiných typů fúze.

Ve tvorbě alfačástic se skrývá další nenápadný půvab HB11 fúze: vznikající  rychle letící jádra helia jsou elektricky nabitá a jejich zabržděním při průchodu nabitým kondenzátorem lze jejich kinetickou energii převést velmi efektivně přímo na nejušlechtilejší formu energie, tedy elektrický proud - je to vlastně obrácený princip iontového motoru. Další výhodou je velmi vysoký energetický výtěžek HB11 fúze - asi 10x vyšší, než v případě deuterium-tritiové fůze. Jediný "drobný" háček je v tom, že k nastartování HB11 fúze je zapotřebí teplota alespoň 100x vyšší, než v případě deuterium-tritiové fůze, k jejímuž "zážehu" postačuje teplota "pouze" asi deset milionů stupňů Celsia. Však také syntéza lithia v hvězdách startuje až v závěru života hvězdy, kdy je hustota a teplota řádově miliardy stupňů! Proto se také deuterium zatím nejčastěji testuje v uspořádání, jako je tokamak nebo laserová inerciální fůze, kde jsou dosahované teploty řádově nižší. 

Již dnes je však známo zařízení, ve kterém je možné extrémních teplot alespoň v principu dosáhnout - je jím tzv. Z-pinčový fuzor, ve kterém se prstenec plasmy během velmi krátké doby prudce soustředí vlastním magnetickým polem do tenkého kanálu, ze kterého po nastartování fůze vystřelí paprsek alfačástic soustředěný (kolimovaný) oběma směry - viz animace níže. V praktickém provedení by se do vnitřní elektody přiváděl proud plynného borovodíku BH3, do kterého by se pravidelných intervalech pouštěl výboj z kondenzátorové baterie. Vytvořený paprsek alfačástic by se v další části reaktoru zabrzdil elektrostatickým polem a vznikající proudový impuls o vysokém napětí by se ztransformoval na využitelné nízké napětí.

Výhodou tohoto uspořádání je, že magnetické pole se tvoří průchodem proudu plasmou, který ji současně zahřívá - odpadá tedy nutnost synchronizace proudu, který plasmu stlačuje a zahřívá. Ale ještě mnohem významnější je, že na rozdíl od tokamaku zde magnetické pole plasmu aktivně stlačuje do co nejmenšího objemu, čímž ji jednak dodatečně zahřívá, současně brání nestabilitám a unikání plasmy z prostoru fúze. Vzniklá plasma nemůže přijít do styku se stěnami zařízení a rozrušovat je, což je největší problém tokamaku. Výhodné také je, že zařízení lze mnohem snáze miniaturizovat, jak je vidět ze snímků experimentální aparatury níže.

Společnost Lawrence Plasma Physics nedávno oznámila zahájení experimentů využívající koncentrovaný prstenec deuteriové plasmy, tzv. "Z-pinč". Na obrázku je experimentální zařízení obklopené baterií kondenzátorů v modrých krabicích, níže je detail měděných elektrod před uzavřením vakuové komory. Při experimentu se baterie kondenzátorů nabíjí na 20 - 45 kilovoltů a dosahované proudy jsou kolem jednoho milionu ampérů. Už při prvních pokusných výbojích došlo k úspěšně vytvoření pinče, takže společnost věří, že se vydala správným směrem k ovládnutí energie hvězd.

 

  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

lJVyWIoUCwnnEpECIhYA04:4520.7.2011 4:45:24
kYnajgTXHurQqUdgiWFgeqvaLpVJouVRiHCf04:3517.7.2011 4:35:51
xqCGOMAQQdnrEZSLpKtapFCBGphFpebmy05:5111.7.2011 5:51:56

Počet příspěvků: 3, poslední 20.7.2011 4:45:24 Zobrazuji posledních 3 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik