20. 01. 2024
|
emovio.cz logo

Velmi smělý cíl: americká firma tvrdí, že pošle do vesmíru revoluční reaktor

Kombinovaný snímek, na kterém je pohled do komory tokamaku COMPASS v běžnm stavu a s plazmatem (foto IPP)
Kombinovaný snímek, na kterém je pohled do komory tokamaku COMPASS v běžnm stavu a s plazmatem (foto IPP)

Start-up Avalanche Energy tvrdí, že do pěti let by mohl dostat do vesmíru zařízení, které ještě nikdy nefungovalo ani na Zemi: energeticky „ziskový“ fúzní reaktor.

Když se zhruba v polovině minulého století v pozemských laboratořích podařilo napodobit způsob, jakým si hvězdy vyrábí energii, optimismus některých vědců neznal mezí. Předpokládali, že rostoucí hlad lidstva po energii brzy dokážou nasytit elektrárny, ve kterých se budou slučovat jádra prvků podobně jako v nitru hvězd.

Divoké naděje, které část odborné komunity chovala, se ovšem ukázaly jako neopodstatněné. Přesto se znovu a znovu objevovaly hlasy, že využít jaderné fúze pro energetické účely vlastně není tak komplikované a brzy bude dosaženo. Veřejnost tyto epizody naočkovaly značnou mírou skepse (do takové míry, že ani neoceňuje, že skutečně jsme relativně blízko úspěchu).

I přes opakovaná a čestná zklamání v různé fúzní proroky se stále objevují velmi optimistické sliby, a zájemci o tuto problematiku se opakovaně sami sebe musí ptát: může to být tentokrát jinak? Jeden takový případ se objevil nedávno ve Spojených státech, kde je fúzní start-upová scéna dnes nejživější.

Americké ministerstvo obrany totiž v květnu tohoto roku oznámilo schválení financování pro vývoj dvou nových „jaderných pohonů“ pro vesmírná plavidla. Projekt by měl vyústit v praktickou zkoušku daného zařízení na palubě družice kolem Země v roce 2027. A jedno z těch zařízení by mělo být kupodivu fúzní.

Fúze na stole?

Princip jaderné fúze je dnes dobře znám. Ovšem, že všechny dosavadní vážně míněné pokusy o využití fúze jako energie počítají s velmi složitými – a také velmi velikými – zařízeními. Jinak si dnes reálně nedokáže většina fyziků představit, jak v zařízení vyrobit více energie, než samo potřebuje k udržení podmínek pro fúzi.

Zařízení Orbitron společnosti Avalanche by se však teoreticky mělo vejít na stůl. Má pracovat na principu tzv. inerciální elektrostatické fúze. Na té se pracovalo v USA i v bývalém Sovětském svazu už v 50. letech, avšak většina týmů tento princip brzy opustila jako nepříliš slibný.

Druhý vítěz

Druhý vítěz zmíněného vojenského kontraktu k otázce jaderného pohonu pro pohon družic přistoupil mnohem konzervativněji. Je jím společnost Ultra Safe Nuclear, která chce vylepšit dlouho známý a používaný zdroj pro družice. Její systém nazývaný EmberCore vyrábí elektřinu z tepla produkovaného rozpadem radioaktivních materiálů. Takzvané „radioizotopové generátory“ se ve vesmíru používají již desítky let. Byly napřiklad na palubách misí Apollo. Díky takovému generátoru sondy Voyager dodnes alespoň částečně fungují a komunikují se Zemí i po 45 letech. Nové zařízení má být prostě v řadě ohledů „lepší“: především účinnější, a tedy i potenciálně výkonnější.

Stejně jako jiná fúzní zařízení je i toto tedy jakási „past“ na nabité částice s velkou energií. V nejjednodušší podobě se skládá ze dvou obvykle téměř kulovitých mřížek, z nichž jedna je nabitá kladně, druhá záporně. V prostoru mezi nimi a v nich krouží nabité částice (elektrony a ionty). Elektromagnetická pole částice urychlují a ty se pak uvnitř vnitřní mřížky sráží. Částice nakonec z pasti uniknou, ale některé z nich se srazí s další částicí za uvolnění energie.

Problém principu byl vždycky v nízké účinnosti. Ionty totiž z „pasti“ rychle uniknou. A pokud se srazí s jinou částicí, mnohem častěji se od sebe prostě odrazí a k fúzi (a tedy uvolnění energie) nedojde. Pokud po takové „bouračce“ nevyletí z pasti, přijdou o svou energii (která se jim musela dodat předtím ze „zásuvky“) a tím ztratí i svůj tzv. fúzní potenciál. To znamená, že už prostě nemají dost energie na to, aby při další srážce vůbec mohlo k fúzi dojít.

Co to znamená? Že podobná zařízení mnohem více energie spotřebují, než vyrobí. Využívají se například jako zdroj částic (neutronů) s určitými vlastnostmi, k výrobě energie jsou ovšem úplně nevhodná. Celková energie proudu vznikajících neutronů bývá obvykle řádově deseti- až stotisíc krát menší než příkon, který si zařízení bere ze sítě.

My to zvládneme

Avalanche Energy údajně má řešení. Jde o patentové postavené na práci fyzika Toma McGuirea, který na tomto fúzním principu pracoval v první dekádě 21. století na univerzitě MIT. Experimentoval s různými podobami oněch nabitých mřížek, které tvoří „past“ na nabité částice.

V simulacích přitom přišel na zajímavé nové konfigurace. S některými by se mohla údajně velmi prodloužit čas, po který je možné částice v pasti udržet. A to prý až tisíckrát proti obvyklým hodnotám. Čím delší dobu částice v reaktoru stráví, tím spíše může dojít k úspěšné srážce a a k uvolnění energie (tady zjednodušujeme, nejde pouze o čas).

McGuierovy simulace tedy došly k závěru, že optimalizace tvaru elektrod povede k výraznému zvýšení účinnost. Dalším zlepšovákem má být doplnění magnetických cívek okolo „pasti“. Jimi produkované magnetické pole má dále zakřivit dráhy nabitých částic, a znovu prodloužit dobu udržení částic v zařízení.

Mimochodem, McGuire se už sice nevěnuje konkrétně této problematice, ale u fúze zůstal. Je zaměstnán ve vývojové divizi společnosti Lockheed Martin, kde připravuje vlastní koncept jiného fúzního zařízení. V roce 2014 firma o něm v tiskové zprávě prohlásila, že bude k dispozici do deseti let.

Ale vraťme se k jeho starší práci. Podle McGuirových výpočtů tato vylepšení neměla stačit na stavbu fúzního reaktoru, který by vyráběl více energie, než spotřebuje, ale má to být podstatný krok vpřed. Účinnost by se měla zvednout údajně o několik řádů, takže potenciální „elektrárna“ už by neměla být daleko.

Dílko mladého fyzika přitáhla pozornost dvou tehdejších zaměstnanců společnosti Blue Origin, která je v majetku zakladatele Amazonu Jeffa Bezosa a vyvíjí prostředky pro něj rakety a kosmické lodě. Langtryho a Riordana myšlenka nadchla a zhruba před čtyřmi lety si založili společnost Avalanche Energy jako svůj koníček při zaměstnání. V minulém roce, tedy v roce 2021, z Blue Origin odešli a začali se věnovat svému fúznímu projektu naplno.

O společnosti ovšem prakticky nikdo nevěděl, byla de facto neviditelná. Svou existenci začala inzerovat v březnu 2022, kdy měla 10 zaměstnanců a pět milionů dolarů od investorů, kteří v posledních letech výroby elektřiny z fúze až nečekaně věří. Oficiálně ovšem Avalanche Energy stále sídlí v rodinném domu v Seattlu, všiml si časopis IEEE Spectrum.

Termoska nebo spalovací motor?

Zařízení společnosti Avalanche Energy má pracovat na jiném principu, než se kterým pracuje většina dnešních zařízení pro jadernou fúzi. Jedničkou mezi současnými přístupy je tzv. magnetické udržení, na (poměrně vzdáleném) druhém místě je pak princip inerciálního tzv. udržení.

Při magnetickém udržení jde o dosažení ustálených podmínek fúzního hoření a o zapálení mluvíme, pokud ohřev plazmatu stačí k stálému udržení extrémní teploty. Nejčastějším reaktorem tohoto typu jsou tzv. tokamaky, které se staví již zhruba 70 let, a na celém světě jich vzniklo větších či menších cca 250. Patří mezi ně i plánovaný mezinárodní reaktor ITER, který má poprvé skutečně předvést „zizkovou fúzi“, tedy v jehož komoře má vznikat více energie, než se bude spotřebovávat na ohřev plazmatu.

Inerciální fúze vychází ze stejného obecného principu, na jakém funguje vodíková bomba – palivo je zahřáto tak rychle, že dosáhne podmínek potřebných k zapálení fúze a začne hořet předtím, než se rozletí. Setrvačnost (inerce) paliva zabraňuje jeho okamžitému úniku. Důležité však je, že množství paliva musí být mnohem menší než v případě vodíkové bomby, aby energie jednotlivé „exploze“ nezničila okolní prostředí. Objem paliva je také omezen tím, kolik energie dokážeme dodat, aby se palivo dostatečně rychle zahřálo.

Omezení množství paliva lze teoreticky vypočítat. Typické hodnoty energie uvolněné každou malou explozí by tak měly dosahovat řádově stovek milionů joulů. Pro srovnání, jeden kilogram benzínu obsahuje zhruba 40 milionů joulů, takže každá exploze by odpovídala spálení několika kilogramů benzínu. K uvolnění takového množství energie ale stačí jen několik miligramů směsi deuteria a tritia, a to díky jejímu mnohem většímu energetickému obsahu. Toto množství má v pevném skupenství podobu malé kuličky o poloměru pouhých několika milimetrů a odborně se nazývá terčík, případně peleta.

Palivové pelety je však třeba ohřát a stlačit do stavu, který panuje ve středu Slunce, tohoto přírodního fúzního reaktoru. Jakmile je těchto podmínek dosaženo, fúzní reakce uvolní několik částic, včetně částic „alfa“, které interagují s okolní plazmou a dále ji zahřívají. Zahřátá plazma pak uvolňuje více a více částic alfa a rozbíhá se řetězová reakce – proces označovaný jako zapalování.

Záření a jiné nepříjemnosti

Langtry a Riordan mají podanou patentovou přihlášku, ve které lze najít alespoň základní informace o principu fungování jejich Orbitronu. Text popisuje reaktor s velikostí řádově desítek centimetrů, ve kterém po eliptické dráze kolem vnitřní elektrody obíhá svazek nabitých částic.

Zařízení má mít ještě výrazně lepší parametry, než mělo v simulací McGuierovo řešení. Podle patentoví přihlášky má „palivo“ – tedy do systému dodávané ionty – zůstat v pasti řádově jednotky sekund, než vyletí ven. Simulace publikované na základě jeho prací pro MIT hovořily o udržení maximálně řádově na desetiny sekundy.

Cílem společnosti je údajně produkovat malé fúzní „bloky“ s výkonem 5 až 15 kilowattů, které by fungovaly buď samostatně, případně by se daly skládat do velkých zdrojů s výkonem třeba i megawattů. Vzhledem k tomu, že cílem amerického vládního projektu je pohon pro kosmické prostředky, pro jeho zadavatele jsou nepochybně zajímavější především menší zdroje. Samozřejmě, pokud by to náhodou fungovalo, zájemců se najde určitě více, a i na velká zařízení by nejspíše došlo.

Ale případní uživatelé musí počítat s jednou nepříjemnou vlastností: podobný fúzní reaktor není během provozu úplně „čistý“. V závislosti na tom, jaké palivo využívá v něm může vznikat různé množství částic s vysokými energiemi (rychlých neutronů), které postupně ničí materiály reaktoru a případně i v jeho okolí, pokud není dobře odstíněný. Kolik takových části je, se může lišit podle použité směsi, ovšem bohužel ta, se kterou je fúze nejjednodušší (kombinace deuteria a tritia), v tomto ohledu není bohužel nejpříznivější.

Zařízení by také produkovalo i další záření včetně nebezpečného rentgenového. Bude vznikat, či spíše vznikalo by, během nevyhnutelných vzájemných srážek iontů paliva, tak během jejich kolizí se samotnou konstrukcí reaktoru. Takže nějaké stínění bude asi nutné. Je ovšem otázkou, zda vesmírná plavidla si ho mohou hmotnostně dovolit.

Navíc rozhodně nebude mít neomezený rozpočet. Protože jde o vojenský projekt, přesná výše podpory nebyla oznámena, na základě jiných případů lze očekávat, že půjde o relativně nízké prostředky, řádově do jednotek milionů dolarů. Že by to mohlo stačit na vyřešení problému, se kterými fúzní fyzici neví rady dlouhé desítky let se nám nechce věřit.

Spojením k energii

Jaderná či nukleární fúze je typ jaderné reakce, při které dochází ke slučování atomových jader lehčích prvků v jádra těžších prvků a zároveň k uvolnění energie. Termojaderná fúze probíhající za vysokých teplot je zdrojem energie většiny hvězd včetně Slunce. Jaderná fúze je v principu opakem štěpení jader těžkých prvků.

Proti slučování jader působí odpudivá elektrická interakce (obě jádra jsou kladně nabitá). Dostanou-li se však lehká jádra dostatečně blízko k sobě, aby překonala Coulombovu bariéru, převládne nad elektrickou silou přitažlivá jaderná síla a obě jádra se sloučí. Rozdíl mezi klidovými hmotnostmi jader před a po sloučení se uvolní ve formě energie.

Jedním ze způsobů, jak může fúze probíhat, je působení vysoké teploty a tlaku, kdy do sebe jádra mohou narazit s dostatečnou energií k překonání coulombovské bariéry. V tom případě mluvíme o termonukleární fúzi. V jádru Slunce a dalších menších hvězd hlavní posloupnosti probíhá takzvaný proton-protonový cyklus, kdy se slučují samotné protony (jádra vodíku) na helium. U větších hvězd ke stejné proměně dochází cyklem C-N-O.

Ve starších hvězdách dále dochází k 3-alfa reakci, kdy se protonovým cyklem vytvořené helium přeměňuje na uhlík. Ve větších hvězdách pak fúzemi vznikají i další prvky jako je neon, kyslík nebo křemík. Nejtěžší prvek vznikající ve hvězdách termonukleární fúzí je železo, které má příliš silné vazby (fúze energii neprodukuje, ale spotřebovává) a při jeho nahromadění dochází ke gravitačnímu kolapsu a explozi supernovy. Těžší prvky ve vesmíru vznikají jinými typy nukleosyntézy, například při této explozi.

Snaha po využití jaderné fúze jako zdroj energie je předmětem bádání, jehož cílem je vytvořit fúzní reaktor. K tomuto zkoumání slouží zejména tokamaky a stelarátory. Jednorázovou jadernou fúzní reakci není těžké vyvolat (lze jí dosáhnout např. elektrickým výbojem[1]), je ale obtížné udržet ji v reaktoru po delší dobu a zajistit kladnou bilanci získané energie ku dodané.

Reakce teoreticky použitelná pro výrobu energie na Zemi je syntéza deuteria a tritia: D + T4He + n Deuterium je v přírodě běžně se vyskytující izotop vodíku. Ve svém jádře obsahuje jeden proton a jeden neutron. Tritium je izotop vodíku, který oproti deuteriu obsahuje ještě jeden neutron navíc. Vyskytuje se velmi vzácně, protože jeho poločas rozpadu je 12 let.

Podobné články

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Oblíbené články

Témata