Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 10 – vyšlo 8. března, ročník 22 (2024) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

10/2024

Stane se fúze protonu s bórem novým zdrojem energie?

Adam Prášek

V roce 2023 jsme se věnovali řadě problémů z jaderné fyziky: podivnému izotopu tantalu a jeho produkci ve hvězdách (AB 10/2023), deformací jader v souvislosti se strukturou jader a jejich štěpením (AB 18/2023), excitovaným stavům s dlouhým poločasem života (AB 25/2023), jadernému klastrováníJaderný klastr – pevně vázaný systém nukleonů, typickým případem je ⁴He (alfa částice). Některá jádra lze popsat jako systém takovýchto klastrů. Příkladem může být ⁸Be, jehož strukturu lze velmi dobře popsat jako vázaný stav dvou jader hélia ⁴He. (AB 29/2023) a haló jádrůmHaló jádra – zvláštní skupina jader s neobvyklou vnitřní stavbou. Na většinu z nich můžeme nahlížet jako na systém sestávající ze dvou složek: z jadérka a z haló tvořeného jedním nebo více slabě vázanými valenčními nukleony. U normálního jádra je jeho poloměr úměrný třetí odmocnině z počtu jeho nukleonů. Tato jednoduchá závislost ale u haló jader neplatí. Oblast, ve které se mohou slabě vázané valenční nukleony vyskytnout, odpovídá jádrům s daleko větším nukleonovým číslem. včetně Efimovova efektuEfimovův efekt – jev, při němž tzv. rezonanční interakce s krátkým dosahem způsobí pro systém tří a více částic vznik efektivní interakce s dlouhým, v principu nekonečným dosahem. Efimovovy stavy pak tvoří nekonečnou posloupnost stavů s exponenciálně rostoucí velikostí a exponenciálně klesající vazebnou energií. Efekt je důležitý pro vazbu některých hal=o jader, molekul, a zřejmě hraje roli i pro Hoylův stav ¹²C. (AB 32/2023). Všechny tyto příspěvky byly spíše přehledového charakteru, proto se letos zaměříme v několika kratších povídáních na novinky z jaderné fyziky. Poznamenejme, že tyto zajímavosti nejsou nutně tím nejdůležitějším, co se v tomto oboru stalo – to je totiž dost subjektivní. V rámci výběru byly preferovány články dostupné zdarma, aby si je mohl čtenář přečíst, a jistou preferenci měly články související s astrofyzikou. V dnešním tématu se budeme věnovat nadějné fúzní reakci založené na sloučení jádra bóru 11 s protonem.

Termojaderná syntéza je zdrojem energie naší nejbližší hvězdy, Slunce, už dlouhých pět miliard let. Dokážeme tento zdroj napodobit i v našich pozemských podmínkách? Zdroj: NASA, SDO/AIA, 2017.

Termojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium. Deuterium – 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. Tritium – velmi těžký vodík, v jádře má jeden proton a dva neutrony. Jde o nestabilní jádro s poločasem rozpadu 12,32 let. Neutron – 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. Alfa částice – jádro helia, vázaný stav dvou protonů a dvou neutronů. Přirozenou cestou vzniká při alfa rozpadu. Vzhledem k velké vazebné energii jde o vysoce stabilní částici. TAE Technologies – americká společnost vzniklá již v roce 1998, která se zabývá alternativní fúzní reakcí izotopu boru 11 s protonem. Dnes patří mezi největší vědeckotechnické společnosti tohoto typu s více než čtyřmi sty za­měst­nanci. Zkratka TAE je odvozena z původního anglického názvu spo­leč­nos­ti Tri Alpha Energy, čili reakce p + 11B → 3α, při níž vznikají tři alfa částice. LHD – Large Helical Device, největší stelarátor na světě do roku 2015, kdy ho překonal německý Wendelstein 7-X. Do provozu byl uveden v roce 1998 v japonském Národním institutu pro fúzní vědu v Toki. Malý poloměr je 0,6 metru, velký 3,9 metru a magnetické pole 3 tesla.

Problémy s neutrony

Nejsnáze dosažitelná je fúzní reakceTermojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium., při níž se slučuje 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. s tritiemTritium – velmi těžký vodík, v jádře má jeden proton a dva neutrony. Jde o nestabilní jádro s poločasem rozpadu 12,32 let.. Problémem zde však je vysoká produkce neutronůNeutron – 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. – tuto reakci například využívá i náš neutronový generátor na VŠB-TUO. Produkce neutronů je ale pro reaktory určené k výrobě energie problémem, protože neutrony mohou aktivovat (aktivací se rozumí jaderná interakce s materiálem, která vede na vznik radioaktivních prvků) okolí reaktoru, poškozovat materiál a také představují riziko pro okolní personál. Neutronové ozáření vede k nafukování materiálu a změně jeho vlastností spojeným s křehnutím materiálu. V případě oceli 316 se jedná o nejzásadnější problém při konstrukci součástí pracujících v prostředí s vysokými neutronovými toky. Mechanizmus nafukování není obecně spolehlivě prozkoumán, ale v případě těchto ocelí lze nafukování přisuzovat interakci neutronů s niklem, který se v oceli nachází, za vzniku helia. Uvnitř materiálu tedy dochází ke vzniku heliových atomů, které vedou k nafukování a ke křehnutí podobným způsobem, jako je tomu u vodíkového křehnutí.

Nafukování lze snížit vysokou hustotou dislokací v mřížce, tj. vad. To je dáno tím, že v takovéto mřížce se nemohou bubliny snadno pohybovat. Experimenty však nevedly k tomu, že by tímto mechanizmem bylo možno dosáhnout potřebné odolnosti vůči neutronům.

Ukázka materiálu před a po ozáření. Můžeme zde vidět, že ozáření vedlo
k makroskopickému nárůstu objemu. Zdroj: Fusion 4 Freedom.

Hledání nové fúzní reakce

Existují snahy najít reakci, která by měla takové produkty, že by její průběh umožnil produkci energie s minimálními riziky jak pro technické vybavení, tak pro pracovníky. V případě štěpných reaktorů jsou neutrony zcela zásadní součástí procesu a není zde cesty, jak reaktor postavit bez toho, aby k jejich produkci docházelo. V případě fúze by však v principu bylo možné, aby reakce probíhala bez produkce neutronů. Jaderná fúze, která neprodukuje 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. (respektive neutrony odnášejí jen malý zlomek produkované energie), je perspektivní nejen z hlediska snížení poškození reaktoru, ale také proto, že by umožnila snáze převést energii získanou fúzí na elektřinu, než konverze z nenabitých neutronů (standardní fúze deuteriaDeuteron – jádro těžkého vodíku, obsahuje jeden proton a jeden neutron. V průměru na Zemi připadá na 7 000 atomů normálního vodíku jeden atom deuteria. Jde o stabilní izotop vodíku. a tritiaTritium – velmi těžký vodík, v jádře má jeden proton a dva neutrony. Jde o nestabilní jádro s poločasem rozpadu 12,32 let. produkuje většinu energie ve formě neutronů). Mezi možné reakce patří nejen p + ¹¹B, ale také fúze ²H + ⁶Li, ²H + ³He, ³He + ⁶Li, ³He + ³He, p + ⁷Li a další. Hlavním argumentem pro využití reakce protonu s jádrem bóru je skutečnost, že proton i bór jsou stabilní, a lze je snadno vyrobit a skladovat, čímž odpadá problém s radioaktivním palivem.

Za tímto účelem byla studována reakce záchytu protonu v jádře ¹¹B. Produktem jsou zde tři alfa částiceAlfa částice – jádro helia, vázaný stav dvou protonů a dvou neutronů. Přirozenou cestou vzniká při alfa rozpadu. Vzhledem k velké vazebné energii jde o vysoce stabilní částici., které mají velmi krátkou volnou dráhu, tj. dráhu, kterou urazí do první interakce. Mezi výhody této reakce patří to, že izotopu ¹¹B máme velké množství, není toxický ani radioaktivní, a primární reakce nezahrnuje produkci neutronů, čímž odpadá problém aktivace. V minulosti již bylo ukázáno, že za vhodných podmínek může být fúze bóru energeticky výhodná, prakticky však nebyla tato reakce nikdy studována v prostředí fúzních reaktorů. V článku [1] skupiny odborníků z TAE TechnologiesTAE Technologies – americká společnost vzniklá již v roce 1998, která se zabývá alternativní fúzní reakcí izotopu boru 11 s protonem. Dnes patří mezi největší vědeckotechnické společnosti tohoto typu s více než čtyřmi sty za­měst­nanci. Zkratka TAE je odvozena z původního anglického názvu spo­leč­nos­ti Tri Alpha Energy, čili reakce p + ¹¹B → 3α, při níž vznikají tři alfa částice. a dalších institucí bylo zatím poprvé provedeno měření této reakce.

Záchyt protonu v jádře ¹¹B vede na vznik uhlíku ¹²C ve vysoce excitovaném stavu. Rozpad uhlíku na tři alfa částice je příkladem jaderného klastrování, kdy lze jádra některých prvků chápat jako klastry menších jader, na která se mohou rozpadnout. Zdroj: Fusion and Things.

O této reakci se uvažovalo i v jiných kontextech než jako zdroje energie – zmiňme například proton-borovou fúzní terapii, která spočívá v tom, že pacientovi vpravíme do nádoru ¹¹B, a paprskem protonů poté indukujeme fúzní reakci přímo v těle, čímž lze lokálně vytvořit alfa částice, které ničí rakovinotvornou tkáň. Výhodou této reakce je to, že ¹¹B není radioaktivní, a nedochází tak k radiační zátěži pacienta.

Fúze protonů s borem však není zcela bez neutronů – může zde nastávat fúze ¹¹B s alfa částicí, případně přímo fúze p + ¹¹B vedoucí na ¹¹C a neutron. Dále pokud je zdroj protonů znečištěn deuteriem, bude probíhat také fúze ¹¹B + ²H a ²H + ²H, přičemž obě tyto reakce vedou na vznik neutronů. Výpočty však naznačují, že energie, která je odnesena neutrony, představuje méně než 0,2 % celkové energie reakce, a nejedná se tak o zásadní problém. Tou největší překážkou je zde to, že mezi protonem a bórem je již značně vysoká elektrostatická bariéra, a je potřeba vysoká teplota, aby reakce mohla probíhat. Dalším problémem jsou zde velké ztráty brzdným zářenímBrzdné záření – anglicky a německy bremsstrahlung, jev, kdy při změně velikosti rychlosti nabité částice vzniká elektromagnetické záření. Brzdné zářením je emitováno při změně velikosti vektoru rychlosti. Při změně směru hovoříme o cyklotronním nebo synchrotronním záření., kdy se po dlouhou dobu zdálo, že fúze p + ¹¹B vůbec nemůže vyprodukovat více energie, než sama spotřebuje. V roce 2019 však vyšel článek skupiny vědců ze společnosti TAE TechnologiesTAE Technologies – americká společnost vzniklá již v roce 1998, která se zabývá alternativní fúzní reakcí izotopu boru 11 s protonem. Dnes patří mezi největší vědeckotechnické společnosti tohoto typu s více než čtyřmi sty za­měst­nanci. Zkratka TAE je odvozena z původního anglického názvu spo­leč­nos­ti Tri Alpha Energy, čili reakce p + ¹¹B → 3α, při níž vznikají tři alfa částice., která se fúzí protonů s bórem dlouhodobě zabývá [2], kde byly přepočítány pravděpodobnosti interakcí a ukázalo se, že pro teploty kolem 300 keVElektronvolt – 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=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K., tedy 3 až 4 miliardy kelvinů, může tato reakce produkovat energii.

Experiment v reaktoru LHD

Fúze protonu s jádrem bóru vyžaduje asi třicetkrát vyšší teplotu než standardní fúze deuteria a tritia, ale konstrukce reaktoru by mohla být v určitých ohledech jednodušší – odpadá totiž problém s neutrony. To staví problematiku reakce p + ¹¹B do pozice zajímavé alternativy ke standardní fúzi deuteria s tritiem. V roce 2022 byl v experimentálním reaktoru LHDLHD – Large Helical Device, největší stelarátor na světě do roku 2015, kdy ho překonal německý Wendelstein 7-X. Do provozu byl uveden v roce 1998 v japonském Národním institutu pro fúzní vědu v Toki. Malý poloměr je 0,6 metru, velký 3,9 metru a magnetické pole 3 tesla. (Large Helical Device) proveden experiment s bórovou fúzní reakcí. Cílem zde bylo na základě měření produkovaných alfa částic zjistit, zda se vůbec podaří fúzi rozběhnout. Jádra ¹¹B byla dodávána do komory reaktoru v podobě zrníček čistého bóru nebo jeho nitridu. Tímto způsobem lze docílit hustoty až 6×10¹⁷ jader bóru na metr krychlový. Teoretické výpočty naznačují, že by za jednu sekundu mělo v reaktoru LHD, kde byl experiment prováděn, dojít až k 10¹⁴ reakcím. Výsledky prvních experimentů velmi dobře odpovídají numerickým simulacím.

3D model torusu reaktoru LHD s plazmatem. Vpravo vidíme detail reaktoru v místě, kde je uložen detektor α částic, jejichž trajektorie jsou vyznačeny zeleně. Zdroj: [1].

Porovnání očekávané odezvy detektoru (numerická simulace) se skutečným měřením
v experimentálním reaktoru LHD. Zdroj: [1].

Provedené měření ukazuje, že se v japonském experimentálním reaktoru LHDLHD – Large Helical Device, největší stelarátor na světě do roku 2015, kdy ho překonal německý Wendelstein 7-X. Do provozu byl uveden v roce 1998 v japonském Národním institutu pro fúzní vědu v Toki. Malý poloměr je 0,6 metru, velký 3,9 metru a magnetické pole 3 tesla. skutečně podařilo rozběhnout fúzi protonů s jádrem bóru. Ačkoli je zřejmé, že nás v tomto ohledu čeká ještě mnoho práce, jedná se o slibný začátek pro konstrukci nových reaktorů. Určitě bude zajímavé tuto záležitost sledovat, mimo jiné i proto, že víceméně neexistují materiály, které by odolaly obrovským tokům neutronů – například u rychlých štěpných reaktorů je velký ekonomický problém v nutnosti příliš časné výměny materiálů, které jsou silně poškozovány neutronovými toky.

Odkazy