| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Fúzně-štěpné hybridy
Miroslav Horký
V současnosti lidstvu neustále roste spotřeba elektrické energie, bez které si dnešní život ani nedovedeme představit. Lidé se s tímto problémem snaží vypořádat všelijak. Od pochybných solárně-větrných experimentů až po několik desetiletí trvající výzkum jaderné fúze jako zdroje pro výrobu elektrické energie. Laikům by se mohlo zdát, že v dnešní době, kdy probíhá stavba doposud největšího fúzního zařízení, tokamakuTokamak – 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. 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., nemá již smysl řešit podobnou otázku. ITER však nebude plnit úlohu fúzní elektrárny, a pokud budou experimenty na zařízení ITER probíhat úspěšně, bude to teprve první krok k prototypům fúzních reaktorů a následně k elektrárnám. Optimistický výhled počítá s prototypem fúzní elektrárny kolem roku 2050.
Obr. 1: Štěpení a fúze (jedny z možných reakcí).
|
Štěpení – způsob získávání energie štěpením těžkých atomových jader. Je základem současných atomových elektráren, ve kterých jsou jádra štěpena nalétávajícími neutrony. Produktem rozpadu jsou další neutrony, které štěpí další jádra (dojde k tzv. řetězové reakci). První štěpný reaktor postavil Enrico Fermi v roce 1942 v Chicagu. Nejlépe jsou vázaná jádra železa. Energii lze získat buď štěpením těžších jader, nebo slučováním lehčích jader (termojaderná fúze). 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). |
Jaderná fúze
Jaderná fúze je fyzikální proces, při kterém se spojují jádra atomůAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10−10 m, rozměry jádra 10−14 m, hustota atomu je 1011 g·cm−3, hustota jádra 1014 g·cm−3. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech., a vytváří se tak jádra nová. Vzhledem k tomu, že se nukleonyNukleon – společný název pro částice jádra (protony a neutrony). Jde o baryony složené z kvarků „u“ a „d“. v jádrech při syntéze dostanou do stavu s nižší energií, dojde k uvolnění přebytečné energie, jejíž množství je dáno rozdílem vazebných energií před fúzí a po ní. Na obrázku 2 je znázorněna závislost vazebné energie na počtu nukleonů v jádře. S energetickým ziskem lze spojovat nukleony až do jádra železaŽelezo – Ferrum, kovový prvek významně zastoupený na Zemi i ve vesmíru. Má všestranné využití při výrobě slitin pro výrobu většiny základních technických prostředků používaných člověkem. Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů vzniku současné civilizace. 56Fe, pro další fúzi musí být již energie dodávána. Pro energetické využití na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. je nejvýhodnější spojovat nejlehčí jádra z počátku periodické tabulky (jak je vidět na závislosti, jsou zde rozdíly mezi jednotlivými energetickými stavy největší). Mezi základní fúzní reakce, se kterými se experimentuje ve fúzním výzkumu, patří D-T reakce, která je nejpoužívanější a nejvíce uvažovanou pro budoucí využití: 2D1 + 3T1 → 4He2 + n0 + 17,6 MeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.. Při reakci se uvolní energie 17,6 MeV, která je rozdělena mezi neutron (14,1 MeV) a jádro hélia neboli alfa částici (3,5 MeV).
Obr. 2: Průběh vazebné energie v jádru atomu v závislosti na počtu nukleonů. Zdroj: [4].
Štěpení
Stejně jako lze lehká jádra slučovat s energetickým ziskem, lze těžká jádra s energetickým ziskem štěpit. Pro štěpení se využívá neutronuNeutron – 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., který zjednodušeně řečeno do jádra narazí a rozštěpí ho na dvě jiná jádra, čímž se uvolní přebytečná energie (produkty štěpení mají větší vazebnou energii než původní jádro, proto dojde k uvolnění energie). V současnosti je nejčastějším palivem štěpných reaktorů uranUran (prvek) – radioaktivní chemický prvek, kov, patří mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem. Izotop 235 se využívá jako palivo v jaderných elektrárnách. Je pojmenován po planetě Uran. 235U. V přírodě se sice vyskytuje v malém množství (cca 0,7 %), ale je štěpitelný pomalými neutrony (zpomalují se moderátorem), a tím je možné udržet řetězovou reakci. V případě použití uranu 238U, který je v přírodě nejvíce zastoupený, je komplikované udržet řetězovou reakci, protože tento izotop uranu je naopak štěpitelný pouze rychlými neutrony, které ale při štěpení nevznikají v dostatečném množství. Proto se nejprve z 238U vytvoří izotop plutoniaPlutonium – šestý člen z řady aktinoidů, druhý transuran, silně radioaktivní toxický kovový prvek, připravovaný uměle v jaderných reaktorech především pro výrobu atomových bomb. Plutonium má poločas rozpadu přibližně 88 roků. Je využitelné rovněž jako palivo pro jaderné reaktory a jako zdroj energie pro radioizotopový termoelektrický generátor. Plutonium bylo poprvé připraveno roku 1940 dvěma vědeckými týmy bombardováním uranu 238 neutrony. V Berkeley jej připravili Edwin M. McMillan a Philip Abelson a v britské Cambridgi Norman Feather a Egon Bretscher. Plutonium je pojmenováno po trpasličí planetě Pluto. 239Pu, který je snadněji štěpitelný.
Klasické štěpné reaktory, které dnes spolu s klasickými tepelnými elektrárnami tvoří páteř výroby elektrické energie, mají několik zásadních nevýhod. Pomineme-li následky možných havárií, pak největší nevýhodou současných reaktorů je vyhořelé jaderné palivo, které je aktivní po dobu tisíců let, a jehož skladování vyžaduje přísná bezpečnostní pravidla. Proto se vedle výzkumu jaderné fúze vytvořil na poli jaderné fyziky další výzkum zaměřený na zpracování vyhořelého paliva a zároveň také výzkum nových reaktorů (například množivých reaktorů).
Fúzně-štěpné hybridy
Skupina vědců z texaského Austinu se zaměřila na možnost zefektivnění palivového hospodářství pomocí fúzních neutronů a navrhla koncept fúzně-štěpného hybridního zařízení. Ovšem nejedná se o myšlenku zcela novou. S prvním nápadem na fúzní hybrid přišel již Hans Bethe v roce 1979.
Podle konceptu vědců z Austinu by se mohly fúzní neutrony využít tak, že kolem tokamakuTokamak – 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., ve kterém bude probíhat fúze, budou umístěny palivové tyče s thoriemThorium – druhý člen řady aktinoidů, radioaktivní kovový prvek. Díky velmi dlouhému poločasu rozpadu jader thoria nacházíme tento prvek v horninách zemské kůry v množství 8 až 12 mg/kg. Thorium je potenciálním palivem v jaderné energetice. Objevil jej již roku 1828 švédský chemik Jöns Jakob Berzelius a pojmenoval ho po Thórovi, bohu blesku ve skandinávské mytologii. 232Th, které se v důsledku záchytu neutronuNeutron – 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. změní na 233Th a následně se beta rozpadem přemění na protaktiniumProtaktinium – třetí z řady aktinoidů, radioaktivní kovový prvek. Jako první identifikovali izotop 234 Kasimir Fajans a O. H. Göhring jako produkt rozpadu uranu 238. Za objevitele jsou ale označováni Otto Hahn a Lise Meitner z Německa a Frederick Soddy a John Cranston z Velké Británie, kteří roku 1918 nezávisle na sobě oznámili objev izotopu 231 s mnohem delším poločasem rozpadu. 233Pa, které je opět nestabilní a dalším beta rozpadem se změní na uranUran (prvek) – radioaktivní chemický prvek, kov, patří mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem. Izotop 235 se využívá jako palivo v jaderných elektrárnách. Je pojmenován po planetě Uran. 233U. Tento izotop uranu má dostatečně velký poločas rozpadu a je štěpitelný v klasických reaktorech. Schéma hybridního zařízení je znázorněno na obrázku 3. Vzhledem k tomu, že fúzní neutrony mají energii 14,1 MeV, musí být zpomaleny, aby se dostatečně zvětšil jejich účinný průřez ve štěpné části. K tomu slouží vrstva z olovaOlovo – Plumbum, těžký toxický kov, který je znám lidstvu již od starověku. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Je součástí barviva – olovnaté běloby, žlutý chroman olovnatý je známý jako chromová žluť. Zvyšuje oktanové číslo paliva. Velmi čistý PbS je citlivým detektorem infračerveného záření a využívá se při výrobě fotografických expozimetrů a fotočlánků. a vizmutuVizmut – Bismuthum, patří mezi těžké kovy, které jsou známy lidstvu již od starověku. Slouží jako součást různých slitin, používá se při výrobě barviv a keramických materiálů. mezi fúzní a štěpnou částí.
Obr. 3: Znázornění hybridního zařízení s kompaktním tokamakem, který je
vyjímatelný.
Zdroj: [3].
Obr. 4: Průřez hybridním zařízením. Zdroj: [1].
Vědci také navrhli systém zefektivnění palivového hospodářství přendáváním palivových tyčí mezi hybridním zařízením a klasickým PWR reaktorem. Tento návrh obsahoval rozmístění zón hybridního zařízení a klasického PWR rektoru (viz obrázek 5) a optimalizaci cyklu přendávání tyčí z jednotlivých zón do dalších tak, aby bylo dosaženo maximální efektivity. Toto schéma je znázorněno na obrázku 6.
Obr. 5: Zóny rozložení palivových tyčí v PWR reaktoru. Zdroj: [1].
Obr. 6: Cyklus výměny palivových tyčí mezi zónami v hybridním
zařízení a v klasickém
PWR reaktoru, optimalizovaný k dosažení maximální efektivity. Zdroj [1].
|
Podle autorů návrhu jsou hlavní výhody tohoto uspořádání následující:
|
Závěr
I když je návrh týmu z univerzity v Austinu pouze ve stadiu konceptu (avšak s potřebnými výpočty), vzniká tak na poli jaderné energetiky další alternativa ke stávajícím řešením. Současný nárůst energetické spotřeby ve světě se navíc stává problémem, který lze označit jako prvořadý. Nechme se tedy překvapit, jaký bude následující vývoj v této oblasti a jaký přínos budou mít fúzně-štěpná hybridní zařízení, ať již budou využívány pouze k přípravě a úpravě paliva pro klasické reaktory nebo jako samostatné plnohodnotné zdroje energie.
Odkazy
-
M. Kotschenreuther, P. Valanju, S. Mahajan, Reprocessing free nuclear
fuel production via fusion fission hybrids;
Fusion Engineering and Design 87 (2012) 303–317 - M. Kotschenreuther, P. Valanju, S. Mahajan, E. A. Schneider, Fusion–Fission Transmutation Scheme – Efficient destruction of nuclear waste; Fusion Engineering and Design 84 (2009) 83–88
- S. Mahajan: Presentation
- School Physics: Binding energy per nucleon
