Jaderná syntéza spočívá ve spojení dvou jader lehkých prvků. Energie jaderné syntézy se uvolňuje díky tomu, že při spojení dvou lehkých jader vznikne jádro těžší, jehož klidová energie je menší než součet klidových energií původní jader. K této myšlence dospěl Arthur Eddington v roce 1920, kdy správně „uhodl“ mechanismus uvolňování energie ve Slunci a ve všech ostatních hvězdách. Předpokládal, že v nitru hvězd dochází za velmi vysokých teplot ke slučování vodíku na hélium. To ještě nebylo nic známo o neutronech, o struktuře atomového jádra ani o jaderných interakcích a Eddington svoji úvahu založil pouze na znalosti Einsteinova vztahu E = mc2 a čerstvě naměřeného překvapivého rozdílu v hmotnosti atomu hélia oproti čtyřem atomům vodíku. Přebytek energie se projeví jako kinetická energie vznikajících částic, případně jako energie záření. V roce 1934 Ernest Rutherford, Marcus Oliphant a Paul Harteck studovali jaderné reakce urychlených iontů deuteria a pozorovali poprvé v pozemských podmínkách spojení dvou jader deuteria za vzniku jádra helia.
|
reakce |
uvolněná energie (MeV) |
|---|---|
|
|
3,26 |
|
|
tato reakce je zákonem |
|
|
4,03 |
|
|
17,6 |
|
|
18,4 |
 |
22,4 |
 |
4,02 |
 |
14,9 |
 |
17,3 |
Při různých reakcích se uvolní rozdílná energie, protože i klidová hmotnost připadající na jeden nukleon je různá. Čím nižší je tato klidová energie, tím vyšší energie se uvolní při vzniku tohoto jádra sloučením jader. Nejnižší klidovou hmotnost má jádro 42He.
Klidová energie nukleonů v jádrech nejlehčích prvků.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Problém při slučování jader je, že obě jádra mají stejný náboj a vzájemně se odpuzují. Odpudivé coulombovské síly rychle rostou se zmenšující se vzdáleností. Aby došlo k jaderné syntéze, je třeba, aby se jádra k sobě přiblížila na vzdálenost 10–13 až 10–14 m, kdy převládnou přitažlivé síly jaderné, obrovské, ale krátkého dosahu. K tomu je třeba, aby jádra měla dostatečnou rychlost, kterou mohou získat ohříváním na velmi vysokou teplotu. Proto se tento proces nazývá termojaderný. Jaderné reakce probíhají až při teplotách několika miliónů Kelvinů. Při této teplotě je palivo ve stavu plně ionizovaného plazmatu, ve kterém se místo atomů pohybují zvlášť atomová jádra a zvlášť elektrony. Proto se palivo dá izolovat a ovládat např. pomocí magnetického pole. Nabité částice se v magnetickém poli pohybuje podél jeho siločar a z hlediska jeho izolování je nejlepší, pokud siločáry z plazmatu vůbec nevycházejí (např. plazma ve tvaru prstence). V pozemských podmínkách je nejvhodnější reakce s deuteriem a tritiem (viz první tabulka), protože k této reakci dochází za nejnižší teploty. Navíc je výhodou této reakce snadná dostupnost deuteria a možnost výroby tritia z lithia.
K vytvoření jaderné syntézy v pozemských podmínkách musí být splněny dvě podmínky – vysoká teplota a tzv. Lawsonovo kritérium pojmenované podle John D. Lawsona a publikované v tajných dokumentech v roce 1955. Kriterium stanovuje podmínku pro hustotu plazmatu a dobu udržení jeho energie. Dává v krajních případech možnost velké hustoty (~ 1031 m-3) a krátké doby udržení (~ 10-10 s), nebo malé hustoty (~ 1020 m-3) a dlouhé doby udržení (několik sekund). První typ se nazývá intersticiální udržení a druhé magnetické udržení. V případě hvězd a Slunce je plazma drženo pohromadě gravitačně. V pozemských podmínkách je tato možnost nerealizovatelná. Při inerciálním udržení se nejprve ohřeje terč o velikosti hrášku pulzy laserového záření. Pak dojde ke kompresi paliva na hustotu 20ti násobku hustoty olova a tím se dosáhne teploty 100 milionů K a zažehne se reakce. Palivo (deuterium, tritium) je uloženo v plastikové kapsli o průměru 3 mm.
Příkladem magnetického udržení je stellátor, theta a Z–pinč, kompresní liner, zrcadlová nádoba, trozatron a nejznámější TOKAMAK (ТOк, КАMeрa и МАHTHыie КaTушьи – TOroidálnaja KAmera i MAgnitnyje Katušiki – toroidální komora a magnetické cívky), jehož koncepce se zrodila na konci 50. let v SSSR. Seržant Oleg Lavrentěv zaslal dopis, ve kterém žádal Andreje Sacharova z pozdějšího Kurčatovova ústavu o stanovisko k návrhu sférického urychlovače uvolňujícího fúzní energii. Ionizovaný plyn Lavrentěv od stěn reaktoru hodlal izolovat elektrostatickým polem. Sacharov se bál tepelné destrukce elektrod vytvářejících elektrostatické pole a nahradil ho polem magnetickým a kulový tvar zaměnil tvarem toroidálním. Na základě tohoto dopisu se Sacharov začal zabývat myšlenkou konstrukce tokamaku. Po diskuzi s Igorem Tammem se rozhodl siločáry zkroutit do šroubovicového tvaru a zrušit tak únik plazmatu do stěn trubice. V roce 1955 bylo postaveno první zařízení podobné dnešním tokamaků, skutečný tokamak byl uveden do provozu v roce 1958 a byl poznačen jako T–1. Sacharov s Tammem nejprve vyrobili silné vnější magnetické pole coby izolant/stabilizátor, a teprve pak v něm ohřáli plazma.
TOKAMAK má prstencový tvar, prstenec plazmatu tvoří sekundární závit obrovského transformátoru. Uvnitř je náplň z deuteria a tritia. Elektrický proud (řádově kA až MA) primární cívky transformátoru indukuje elektromotorické napětí v sekundárním obvodu. Tím vznikne výboj, plyn se ionizuje a indukovaný proud ho následně zahřívá na vysokou teplotu. Plazma je v trubici udrženo pomocí magnetického pole. Nedotýká se stěn. Materiál stěn ovlivňuje výkon tokamaku. Kdyby došlo ke kontaktu plazmy se stěnami nádoby, žádná katastrofa by nenastala. Přes extrémně vysoké teploty je totiž hustota plazmy v tokamacích nízká a celková tepelná energie by nestačila k roztavení celého zařízení. Magnetická nádoba je nutná k tomu, aby nedošlo k ochlazení a znečištění plazmy. Hlavní část energie vzniklé touto reakcí je odnášena přebytečnými neutrony, které nejsou zachycovány magnetickou pastí. Vysokoenergetické neutrony jsou zachycovány až obálkou reaktoru, která je tvořena vodou chlazenými štíty. V tokamacích dochází k velkým ztrátám energie, které zatím brání jejich běžnému použití. Ztráty způsobují turbulence, které rychle tlačí teplo z horkého fúzního jádra k okraji.
Celkem bylo ve světě postaveno téměř 100 zařízení typu tokamak. Od roku 1984 vlastní tokamak i Česká republika. Nese název Castor. Největším je zařízení JET v anglickém Culhamu. Hlavní poloměr prstencové komory o průřezu ve tvaru písmene D je 296 cm a objem plazmatu dosahuje 90 m3. Plazma je udržováno magnetickým polem 3,5 T a protéká jím proud 4,8 MA. Na JETu byly dosaženy také rekordní parametry plazmatu: doba udržení až 1 s a teplota 100 – 400 milionů stupňů. Kladné výsledky tohoto experimentu vedly k výstavbě zařízení ITER.
Celkový pohled na tokamak NSTX v Princetonu, který je v provozu od roku 1999.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
V současnosti se staví zařízení ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, latinsky cesta). Jedná se v současnosti o nejnákladnější mezinárodní vědecký projekt, na kterém se účastní Evropská unie, Japonsko, Čína, Jižní Korea, Indie, Rusko a USA. Po dohodě z roku 2005 bude ITER stát na jihu Francie v Cadarache. 50 % odhadnutých nákladů stavby uhradí EU a ostatní partneři po 10 %. Projekt ITER předpokládá stavbu reaktoru přes dvacet metrů vysokého, s třicetimetrovým průměrem. Srdcem reaktoru bude tokamak. Jeho toroidální (prstencová) komora má mít poloměr přes 8 metrů a výšku přibližně 9 metrů. Z celého objemu této obří "pneumatiky" musí být co nejdokonaleji vyčerpán vzduch. Obepínat ji bude dvacet gigantických supravodivých cívek, které vytvoří magnetické pole téměř 5,7 T. V těsném sousedství stamilionové teploty musí být zajištěno chlazení velkých supravodičů na extrémně nízké teploty. K dosažení stabilizujícího stočení magnetických siločar musí být v plazmatu indukován elektrický proud 21 milionů ampérů. V centru plazmatu bude zhruba milionkrát nižší hustota částic než ve vzduchu, takže tlak plazmatu by vzhledem k milionkrát vyšší teplotě zhruba odpovídal atmosférickému tlaku. Předpokládá se, že ITER bude uvolňovat asi 1500 MW jaderného výkonu (jen o málo více než má každý ze čtyř reaktorů Jaderné elektrárny Dukovany) při zhruba čtvrthodinových pulzech. Předpokládá se dokončení v roce 2019, první experimenty by měly být zpuštěny v roce 2025 a v plném provozu bude zařízení v roce 2035.
Dalším typem fúzního rekatoru je stelarátor. Jeden z experimentálních stelarátorů vznikl v severoněmecké Greifswaldu. Stavba trvala téměř dvacet let a do provozu byl spuštěn v roce 2015. V roce 2016 se vědcům podařilo do plynného vodíku vstřelit dvoumegawattový mikrovlnný pulz. Tím atomy vodíku přišly o své elektrony a z plynného vodíku se stalo plazma o teplotě cca 80 mil °C. Podařilo se ho udržet po dobu čtvrt sekundy.
