Skip to main content

Ekologická jadrová energia - bezneutrónová fúzia (časť II.)

Kategórie:

Prvá časť tohto článku bola venovaná popisu ekologicky atraktívneho spôsobu veľkokapacitnej produkcie energie - bezneutrónovej fúzii. Boli v nej popísané jej environmentálne výhody, potenciál a riziká v kontexte hlavných konceptov štiepnych a fúznych reaktorov. V druhej časti sa teraz pozrieme bližšie na štyri vedecky seriózne podložené a experimentálne sľubne sa vyvíjajúce prístupy, ktoré by mohli ľudstvu využitie bezneutrónovej fúzie umožniť - konkrétne koncept Polywell využívajúci netermalizovanú plazmu, Dense Plasma Focus uskutočňujúci termalizované i netermalizované procesy, a prístupy Laser Fast Ignition a Z-pinch využívajúce plazmu blízku termalizácii.   

 

1. Polywell

Autorom tohto konceptu je renomovaný fyzik Robert Bussard, paradoxne jeden zo zakladateľov amerického tokamakového výskumu, známy tiež vďaka návrhu medzihviezdneho náporového nukleárneho plavidla (tzv. Bussard Ramjet), často využívaného autormi science fiction. Bussard na základe výsledkov výskumu začal považovať tokamak za síce realizovateľnú, avšak vďaka svojim rozmerom, komplikovanosti a cene nepraktickú technológiu. Namiesto nej sa začal venovať zdokonaľovaniu alternatívneho konceptu tzv. fúzorov. Tie sa aj v súčasnosti úspešne využívajú ako generátory neutrónov, vďaka dizajnom obmedzenej intenzite reakcií sú však takmer nepoužiteľné na výrobu elektrickej energie. Bussard navrhol nový dizajn, ktorý nazval polywell. Jeho výskum bol financovaný americkým námorníctvom, pretože polywell potrebného výkonu by vďaka jeho v porovnaní s tokamakom omnoho menej masívnym rozmerom bolo možné použiť napr. na pohon lietadlovej lode.

Princíp dizajnu spočíva vo vytvorení magnetického poľa guľovitého tvaru pomocou sústavy kruhových magnetov osadených do tvaru polyhedrónu (geometrického útvaru pripomínajúceho kocku so skosenými hranami), tzv. MaGrid, ktorý sa nachádza vo vákuovej komore. Do tohto priestoru sa vpustia elektróny. Tie sa snažia z priestoru uniknúť, cirkulujúc po dráhach okolo magnetov. Interakcia elektrónov s magnetickým poľom ich však sústreďuje prevažne v centrálnej časti priestoru, kde vďaka svojmu náboju vytvoria virtuálnu elektródu a magnetické pole, ktoré vytláča pole MaGridu a tým uzatvára únikové cesty pre elektróny. Len veľmi malá časť elektrónov uniká, a tie sú recirkulované späť do vnútra MaGridu. Následne sa do priestoru v pulznom režime vpúšťajú ióny a protóny, ktoré virtuálna elektróda priťahuje a urýchľuje, pričom častice okolo nej oscilujú až pokiaľ nedôjde k ich fúzii. Namiesto tepelne rovnovážneho (čiže štatisticky neefektívneho) zahrievania teda častice plazmy získavajú potrebnú rýchlosť priamym a efektívnym elektrostatickým (či presnejšie vďaka neustálemu pohybu elektrónov elektrodynamickým) urýchľovaním. Vďaka tomu je možné s menším zariadením dosiahnuť vyššie rýchlosti iónov. Na dosiahnutie fúzie postačujú prekvapujúco nízke hodnoty elektrických polí - v závislosti od rozmerov reaktora sú potrebné rádovo stovky kilovoltov, čo je zhruba na úrovni dnešných komerčných elektrorozvodných sústav (pre ilustráciu si uveďme, že napr. na Slovensku rozšírené vysokonapäťové siete používajú napätie 400 tisíc voltov - protón urýchlený elektrickým poľom s takýmto napätím má kinetickú energiu, akú by dosiahol v termonukleárnej plazme pri teplote viac než 4,6 miliardy Kelvinov, čo je približne tristokrát vyššia teplota než v centre Slnka).

Bussardov tím skonštruoval niekoľko prototypov, avšak intenzita fúzie bola podstatne nižšia než teoretické výpočty. Bolo to spôsobené neželaným pohlcovaním elektrónov - problémom, ktorý aj pred polstoročím spôsobil opadnutie záujmu o podobné koncepty. Avšak v roku 2005 došlo k prelomu - prototyp WB6 tesne pred ukončením projektu po prvýkrát už neakceptovateľnou stratou elektrónov netrpel a dosiahol teoreticky predpovedané úrovne fúzie, až stotisíckrát vyššie než predchádzajúce pokusy (konkrétne miliardu fúzií dvoch jadier deutéria za sekundu). Tým sa vyriešil aj jeden z hlavných problémov, ktorý podľa dizertačnej práce najsolídnejšieho kritika Todda Ridera z MIT z roku 1994 bránil polywellu (resp. podobným konceptom) v realizovateľnosti. Aj na základe toho US Navy predĺžila financovanie projektu, ktorý aj napriek následnému Bussardovmu úmrtiu pokračuje s rozpočtom niekoľkých miliónov dolárov. Prototyp WB7 nielenže potvrdil funkčnosť dizajnu, ale pomohol určiť ďalší smer vývoja, resp. najvhodnejší typ geometrie magnetických polí, ktorá zabezpečí ešte vyššiu intenzitu fúznej reakcie. V súčasnosti prebiehajú testy s prototypom WB8, ktoré sú na základe výsledkov 500 vysokoenergetických pulzov veľmi povzbudivé. Od prototypu WB8.1 sa už očakáva aj demonštrácia p-11B fúzie, pričom testy by mali byť dokončené do konca roku 2012. Veľkou výhodou tohto reaktora sú jeho malé rozmery. Reakciami uvoľnená energia je totiž vďaka fyzikálnym princípom priamo úmerná siedmej mocnine rozmeru MaGridu, zatiaľ čo straty sú úmerné len približne druhej mocnine, takže čistý výkon reaktora je úmerný približne piatej mocnine jeho rozmerov - hodnota vysoko prevyšujúca tokamaky. Vďaka tomu by polywell reaktor s výkonom 100 MW mal mať polomer MaGridu len zhruba jeden a pol metra. 

Obrázok: Pohľad na WB6 (hore) a WB7 cez priezor vákuovej komory. Zdroj: EMC2 Fusion Development Corporation

Pravdepodobnosť nesprávnosti teoretických výpočtov intenzity fúzie (resp. jej extrapolácií) pre väčší systém nie je veľká - naopak, dá sa očakávať, že s použitím supravodivých magnetov bude táto závislosť ešte výhodnejšia. Väčšia neistota však môže sprevádzať výpočet závislosti strát od veľkosti reaktora. Druhá mocnina vyplýva z výpočtov a doterajších experimentov, a WB8 ju do konca roku 2012 overí až do veľkosti reaktora 60 cm. Ďalším praktickým a veľmi dôležitým problémom, na ktorý poukázal spomínaný Todd Rider v roku 1994, by mohla byť termalizácia (tepelné zrovnovážnenie) plazmy, ktorá by spôsobila prudký nárast brzdného žiarenia a teda strát energie. Autori sa samozrejme tejto možnosti podrobne venovali a doterajšie experimenty v súlade s ich teoretickými výpočtami ukázali, že vďaka samoregulačným fyzikálnym vlastnostiam nehomogénnej plazmy takáto situácia nenastane (pre bližšie vysvetlenie viď kapitolu "Primárny problém - brzdné žiarenie"). Kritici upozorňujú takisto na hrozbu ďalších komplikácii ako napr. rezonancie spôsobené vzájomnou závislosťou jednotlivých fyzikálnych parametrov reaktora, avšak experimenty zatiaľ ani tieto obavy nepotvrdili. Bussardov vedecký tím je preto optimistický, pričom svoj optimizmus stavia najmä na relatívne jednoduchej konštrukcii a malých rozmeroch reaktora, ktoré by do extrapolácie strát, rizika termalizácie ani celkovej realizovateľnosti nemali priviesť neočakávané parametre.

Obrázok: Vizualizácia polywell reaktora s konfiguráciou v tvare dodekahedrónu (polyhedrón s 12 stranami). Oproti  v súčasnosti experimentálne overovanému tvaru kocky ponúka lepšie viazanie elektrónov v centrálnej časti, resp. nižšiu mieru ich recirkulácie a teda aj strát. Malé rozmery i základného tvaru reaktora sú jeho veľkou výhodou - pre dosiahnutie 100 MW výkonu by podľa výpočtov a doterajších experimentov mal postačiť polomer magnetického poľa len 1,5 metra, obklopeného v porovnaní s tokamakom omnoho subtílnejšími konštrukčnými prvkami a radiačným tienením. Zdroj: Torulf Greek

Keďže výskum financuje US Navy, detailné výsledky podliehajú armádnemu utajeniu, a preto verejnosť môže získať iba informácie o celkovom stave výskumu a jeho výsledkoch bez technických podrobností. To prispieva k skeptickému postoju niektorých nezainteresovaných fyzikov k tomuto konceptu, nie je to však chybou projektu, ale celkového nastavenia systému financovania. Experimenty s WB7 boli však podrobené štandardnému peer-review procesu (nevyhnutné overenie a skritizovanie výsledkov nezávislými odborníkmi), s pozitívnym výsledkom, vďaka čomu projekt získal od US Navy ďalších sedem miliónov dolárov pre nasledovnú fázu vývoja. (update - v auguste 2012 komisia zložená z  nezávislých odborníkov na základe súladu experimentálnych výsledkov WF8 s teoretickými výpočtami odporučila pokračovanie a rozšírenie projektu, vďaka čomu bolo uvoľnených ďalších 5.3 milióna USD na obdobie dvoch rokov). Polywellom sa začal zaoberať už aj iránsky jadrový program, vrátane počítačových simulácií a experimentov. V každom prípade, koncept je natoľko nádejný, vďaka využívaniu netermalizovanej plazmy ekologicky výnimočný dokonca aj medzi bezneutrónovými konceptmi, a podloženými pozitívnymi experimentálnymi faktami, že aj v prípade objavenia neriešiteľných problémov je nutné, aby si bolo ľudstvo úplne isté hranicami tohto prístupu.

2. Dense Plasma Focus

Tento prístup nie je žiadnou novinkou, bol vyvinutý na začiatku šesťdesiatych rokov nezávisle západnými aj sovietskymi fyzikmi, vychádzajúc z ešte starších zákonitostí správania sa plazmy. Podobne ako ostatné princípy však narazil na viacero ťažko riešiteľných problémov, ktorých riešenie sa javí byť možným až so súčasnými o viac než polstoročie pokročilejšími technológiami a materiálmi.

Koncept je založený na stlačení malého množstva plazmy elektrickým a magnetickým poľom do malého objemu (tzv. plazmoidu), v ktorom následne prebieha jadrová fúzia. V komore naplnenej riedkym plynom sa nachádzajú dve do seba vnorené elektródy v tvare dutých valcov (elektróda môže byť zložená aj z viacerých tyčí vytvárajúcich tvar valca). Počiatočný silný elektrický impulz medzi nimi ionizuje atómy plynu a vytvorí plazmu, cez ktorú krátku dobu preteká elektrický prúd. Ten vytvára magnetické pole, ktoré vytvaruje útvar v tvare plášťa či bubliny, ktorý je týmto magnetickým poľom presúvaný smerom k okraju elektród až do vnútorného valca. Tam sa plazma podľa presne daných zákonitostí zdeformuje a na veľmi krátky čas vytvorí v malom objeme enormne intenzívne uzavreté magnetické pole urýchľujúce elektróny a ióny. Pri dostatočnej intenzite polí nastane fúzia častíc. Proces je veľmi rýchly a po dodaní počiatočnej energie prebieha vďaka fyzikálnym zákonom samoregulačne a automaticky. Dense Plasma Focus koncept využíva pulzný režim a plazma v ňom sa nachádza v termodynamickej rovnováhe len čiastočne, keďže experimenty dokazujú prítomnosť termalizovaných aj netermalizovaných procesov.

Obrázok: Znázornenie dizajnu a princípu funkčnosti Dense Plasma Focus (vľavo a v strede) a fotografia skonštruovaného zariadenia (vpravo). Zdroj: Torulf Greek, Focus Fusion Society

Vo svete existuje viacero DPF zariadení, ktoré však slúžia predovšetkým na štúdium samotného konceptu a produkciu neutrónov, resp. röntgenového žiarenia. Avšak v roku 2001 sa výskumnej skupine financovanej z NASA Jet Propulsion Laboratory v priebehu výskumu zameraného na aplikáciu DPF ako iónového pohonu kozmických sond podarilo dosiahnuť teplotu plazmoidu približne dvoch miliárd Kelvinov (či stupňov Celzia), pri ktorej už môže prebiehať aj bezneutrónová fúzia. Na základe tohto povzbudivého výsledku bola založená súkromná firma Lawrenceville Plasma Physics, Inc., ktorej cieľom je vyvinúť DPF zariadenie schopné generovať dostatočnú frekvenciu pulzov s dostatočnou energiou a veľmi intenzívnym magnetickým poľom, ktoré by zabezpečilo vyriešenie problému brzdného žiarenia (viď príslušnú kapitolu nižšie). Zariadenie nesúce názov Focus Fusion 1 dosahuje sľubné parametre a výsledky, napr. v októbri 2011 počas dvoch impulzov došlo k fúzii 150 miliárd iónov. Zariadenie navyše dospelo do štádia, keď intenzita fúzie je úmerná piatej mocnine vloženého elektrického prúdu, čo znamená, že desaťnásobné zvýšenie prúdu (čiže stonásobné zvýšenie vloženej energie) znamená stotisícnásobné zvýšenie uvoľnenej fúznej energie - to je dôležitým predpokladom možnosti zväčšenia zariadenia na úroveň komerčne využiteľnej prevádzky.

3. Laser Fast Ignition

Využitie laserov na uskutočnenie fúzie sa medzi vedcami tešilo veľkej popularite v sedemdesiatych rokoch minulého storočia. Tradičný prístup dosahuje hustotu a teplotu plazmy nevyhnutnej na fúziu pomocou symetrického (t.j. vo všetkých smeroch rovnomerného) stláčania malej kapsuly s palivom pomocou laserových lúčov prinášajúcich potrebnú energiu. Avšak ukázalo sa, že dosiahnuť vysokú mieru symetrie je nesmierne náročné, čo bolo hlavnou príčinou zdržania vývoja. V súčasnosti existujú dva hlavné mnohomiliardové projekty laserovej fúzie - americký National Ignition Facility (NIF) a francúzsky Megajoule. Predstavujú výrazný pokrok v tejto oblasti, fúziu už úspešne dosiahli, a v roku 2011 NIF očakáva finalizáciu programu uskutočnením fúzie, ktorá vyrobí viac energie ako bolo do nej vložené. Avšak tieto zariadenia slúžia predovšetkým vojenskému účelu, pretože skúmanie laserovej kompresie plazmy má význam pre vývoj termonukleárnych zbraní, napr. vývoj čisto fúznej termonukleárnej nálože (ľudstvo zatiaľ dokáže vyrobiť len hybridnú štiepno-fúznu bombu spôsobujúcu veľké rádioaktívne zamorenie). Tomu sú prispôsobené aj parametre projektu (napr. frekvencia laserov, či podobne ako v prípade US námorníctvom financovaného polywellu nezverejňovanie všetkých technických detailov výskumu). Výroba energie je len vedľajším produktom. Vďaka tomu sú tieto zariadenia veľmi nákladné a rozmerné, a teda nevhodné na komerčnú produkciu energie.

Vedci však vyvinuli nový prístup dosiahnutia fúzie laserom, nazvaný Fast Ignition (rýchle vznietenie). Jeho princíp spočíva v tom, že namiesto symetrickej implózie sa do plazmovej kapsule vystrelí veľmi intenzívny laserový impulz len z jedného smeru, ktorý vygeneruje rýchle častice prudko zahrievajúce plazmu - toto zahrievanie je dostatočné na zapálenie fúznej reakcie, pričom potrebná celková energia laserov je prinajmenšom desaťnásobne menšia než v prípade klasickej symetrickej implózie (postačujú stovky kilojoulov namiesto megajoulov), a navyše odpadajú aj problémy s extrémnymi nárokmi na symetriu procesu. Tento proces je možné uskutočniť po predchádzajúcej čiastočnej symetrickej kompresii terčíka menej výkonnými lasermi, alebo dokonca aj úplne bez laserovej kompresie.

Obrázok: Japonský experiment GEKKO XII zameraný na štúdium fast ignition používa deutériom naplnenú sféru s polomerom 0.5 mm (vľavo), ku ktorej je priložený malý kužeľ zo zlata. Hlavný laserový lúč vystrelený do kužeľa v ňom vygeneruje spŕšku vysokoenergetických elektrónov, ktoré sa dostanú do sekundárnymi lasermi mierne stlačeného palivového terčíka. Keďže sú koncentrované v blízkosti jeho centra, spôsobia prudké lokálne zahriatie a vzplanutie fúznej reakcie, ktorej rázová vlna spotrebuje všetko palivo v sférickom terčíku. Vďaka absencii potreby zohrievať celý terčík mnohonásobne klesajú nároky na výkon laserov a potrebu komplikovanej sféricky symetrickej kompresie. Schéma princípu je znázornená v pravej polovici obrázku. Pripravovaný európsky projekt HiPER bude využívať rovnaký princíp, avšak v dlhodobejšom výhľade plánuje použiť aj druhý možný prístup, pri ktorom laser prerazí vonkajšie vrstvy palivového terčíka a zasiahne priamo centrálnu časť s vyššou hustotou. Zdroj: Osaka University

Európska únia preto pripravuje projekt HiPER (High Power laser Energy Research facility), ktorý bude niekoľko desaťnásobne efektívnejší než symetrický prístup, výrazne tak zvyšujúc možnosti laserovej fúzie. Efektivita vyplýva nielen z potreby nižšej energie laserov, ale aj z dôvodu použitia nových typov laserov, ktorých účinnosť (10 až 20 percent) je výrazne vyššia než účinnosť laserov použitých v NIF (tie pracujú s účinnosťou len jedného percenta, to znamená len takáto časť vloženej energie sa pretransformuje do energie laserového lúča zahrievajúceho terčík).

Na praktické využitie laserovej fúzie je okrem zisku energie prevyšujúcej energiu vloženú a geometrickej konfigurácie umožňujúcej odber uvoľnenej energie nevyhnutná aj dostatočne vysoká frekvencia laserových pulzov. Aj v tomto smere však veľmi rýchlo postupujúci vývoj dosiahol pokrok - vedci už vyrobili a experimentálne odskúšali vysokovýkonné lasery (zatiaľ s terawattovými výkonmi) schopné generovať až desať pulzov za sekundu, čo je pre generovanie ekonomicky rentabilnej energie z fúzie postačujúca frekvencia.

V poslednom období popri frekvencii prudko vzrástol aj samotný výkon laserov - skonštruované boli lasery s petawattovými výkonmi (to je zhruba tisícnásobne viac než celkový výkon všetkých elektrární v USA). Takúto ohromujúcu hodnotu je možne dosiahnuť vďaka tomu, že výkon je pulzný, pričom doba jeho trvania je veľmi krátka - pohybuje sa zhruba v pikosekundách (10-12 s). To však na spustenie fúznej reakcie postačuje, keďže v subatomárnom svete je takýto čas extrémne dlhý (stačí si uvedomiť, že za jednu pikosekundu svetlo a vysokoenergetické častice preletia vzdialenosť približne stomiliardkrát väčšiu než je priemer jadra vodíka, čiže tri desatiny milimetra). Principiálna schopnosť laserovej fúzie dosiahnuť bezneutrónovú fúziu už bola demonštrovaná ruskými vedcami, ktorí v roku 2005 zrealizovali laserovú fúziu p-11B - samozrejme zatiaľ s veľmi nízkou intenzitou a bez riešenia problémov brzdného žiarenia a ekonomickosti prevádzky.

Obrázok: Riadiaca miestnosť petawattového laseru v University of Texas skonštruovaného na základe skúseností získaných v prestížnom Lawrence Livermore National Laboratory. Miestnosť na fotografii tvorí zhruba tretinu celého priestoru zabraného týmto zariadením - napriek ohromujúcemu výkonu (petawatt je 1015 wattov, čo je výkon rádovo tisíckrát prevyšujúci celkový výkon elektrickej siete USA) sú teda jeho rozmery vskutku minimalistické. Je to dané skutočnosťou, že uvedený výkon pretrváva len 170 femtosekúnd (170x10-15 s). Celková energia laserového pulzu je teda len necelých 200 joulov. Práve takýto typ extrémneho výkonu dodaného v extrémne krátkom čase však využíva fast ignition fúzia. Zdroj: Lawrence Livermore National Laboratory

 

4. Z-pinch

Štvrtý seriózny prístup k bezneutrónovej fúzii, tzv. Z-pinch prístup, je z hľadiska využitia pre produkciu energie zatiaľ relatívne v zárodočnom štádiu vývoja, a preto mu venujeme menší priestor. Je založený na tzv. "z-pinch" idei, kompresii paliva podobnej laserovej kompresii. Princíp spočíva v prechode veľmi veľkého elektrického prúdu sústavou tenkých kovových vlákien (napr. wolfrámových či oceľových), ktorý spôsobí ich prudké odparenie, ionizáciu atómov a vytvorenie tenkej vrstvy plazmy v tvare dutého valca. Elektrický prúd prechádzajúci plazmou vytvára silné magnetické pole a následné implóziou plazmy generované intenzívne röntgenové žiarenie spôsobí fúziu jadier paliva umiestneného v priestore medzi pôvodnými vláknami.

Koncept po vyriešení problémov s obmedzeným množstvom objemu paliva a so zatiaľ neriešenou nízkou frekvenciou pulzov môže byť pre účely produkcie energie zaujímavým - doposiaľ skonštruované zariadenie je zatiaľ schopné vygenerovať jeden pulz za deň, pripravované nové verzie budú schopné uskutočniť fúziu približne každých desať minút, čo je však pre komerčnú výrobu energie nedostatočné. Jeho potenciál spočíva predovšetkým v prístupe k problému brzdného žiarenia, pretože počas z-pinch pulzov je energia elektrónov o niekoľko rádov nižšia než energia iónov - to má vďaka relatívne malej rýchlosti elektrónov zásadný vplyv na intenzitu brzdného žiarenia, a je to práve stav, ktorý sa snažia Dense Plasma Focus či laserová fúzia dosiahnuť prostredníctvom intenzívneho magnetického poľa. V súčasnosti je tento koncept reprezentovaný úspešným zariadením známym pod názvom Z-Machine, ktoré dosiahlo rekordné teploty plazmy až 3,7 miliardy Kelvinov. Je však prevádzkované čisto pre účely vojenského výskumu jadrových zbraní, na účely produkcie energie je nepoužiteľné. Navrhnuté sú však ďalšie generácie tohto zariadenia s inými parametrami a účelom, ktoré kulminujú aj ideou aplikácie pre produkciu energie, konkrétne tzv. Z-pinch IFE (Inertial Fusion Energy) koncept. Napriek tomu, že ide o časovo a technologicky vzdialenejší cieľ, tak vďaka svojmu prístupu najmä s ohľadom na brzdné žiarenie patrí medzi nádejných kandidátov na potenciálne využitie bezneutrónovej fúzie pre produkciu elektrickej energie.

Obrázok: Z-machine. Skonštruovaná a prevádzkovaná primárne pre výskum v oblasti vývoja jadrových zbraní, v budúcnosti môže poskytnúť aj možné uplatnenie v oblasti produkcie energie. Zdroj: Sandia National Laboratory

 

Primárny problém - brzdné žiarenie

Ako sme si už spomenuli, najväčšou prekážkou pri akomkoľvek type fúzie je tzv. brzdné žiarenie (fyzikálne nazývané bremsstrahlung, tento pojem sa do angličtiny dostal vďaka silnej nemeckej skupine vedcov pracujúcich v jadrovom výskume). Toto žiarenie vzniká pri zmene dráhy nabitej častice (napr. elektrónu) vplyvom elektromagnetickej interakcie s inou nabitou časticou (napr. atómovým jadrom), vďaka čomu je častica zbrzdená a vyžaruje elektromagnetické žiarenie. Preto je vo všeobecnosti bremsstrahlung tým intenzívnejšie, čím ťažšie jadrá (resp. jadrá s väčším el. nábojom) ovplyvňujú dráhy elektrónov a čím je rýchlosť (energia) elektrónov vyššia. V neutrálnej a tepelne rovnovážnej plazme (teda v plazme, ktorá mala dostatok času na prenos teploty a distribúciu náboja v jej objeme, a ktorá z fyzikálneho pohľadu spĺňa tzv. Maxwell-Boltzmannovo štatistické rozdelenie) v štandardných podmienkach vyskytujúcich sa v tokamaku energia stratená brzdným žiarením pre reakciu p-11B prevyšuje energiu uvoľnenú pri fúzii. Inými slovami, brzdné žiarenie pohltí viac energie ako dokážu fúzne reakcie vyrobiť, a teda reakcia nie je udržateľná. Vyhnúť sa tejto komplikácii je možné v zásade dvoma spôsobmi - vytvoriť v termalizovanej plazme neštandardné podmienky (napr. extrémne silné magnetické pole), alebo vytvoriť plazmu netermalizovanú, na ktorú sa uvedené obmedzenia nevzťahujú (a v ktorej je možné brzdné žiarenie ovplyvňovať a minimalizovať omnoho účinnejšie a flexibilnejšie). 

Konkrétne výpočty pre polywell ukazujú, že pre p-11B reakciu bude brzdné žiarenie predovšetkým vďaka tepelnej nerovnovážnosti plazmy dvanásťkrát menšie než energia vyprodukovaná fúziou, a teda reakcia by mala byť vysoko zisková. Straty spôsobené brzdným žiarením sa dajú ďalej optimalizovať geometrickým usporiadaním polywellu a taktiež zložením paliva (napr. prebytkom protónov). Kritikmi zdôrazňovanému riziku termalizácie plazmy podľa výpočtov podložených experimentmi zabraňuje samoregulačný efekt spôsobený samotnou konfiguráciou polywellu - ióny v strede reaktora majú veľmi vysoké energie a teda vďaka fyzikálnym zákonom veľmi nízku pravdepodobnosť elektromagnetických kolízií (t.j. termalizácie), zatiaľ čo ióny s nízkymi energiami sa nachádzajú na okraji a teda ich vplyv na vysokoenergetické ióny v strede je veľmi malý (opäť vyúsťujúc do absencie ich termalizácie). Analogická situácia sa vzťahuje aj na elektróny, ktoré za dobu svojej existencie v reaktore nebudú mať dostatok času na termalizáciu.

Laserová fúzia a Dense Plasma Focus chcú na potlačenie brzdného žiarenia využiť kombináciu troch fyzikálnych procesov. Prvým sú kvantové efekty vznikajúce v prítomnosti magnetických polí vysokej intenzity, ktoré potláčajú prenos energie iónov na elektróny, vďaka čomu sa elektróny pohybujú nižšími rýchlosťami, vyžarujúc teda menej intenzívne brzdné žiarenie. Druhým procesom je rovnako v silnom magnetickom poli sa prejavujúce znižovanie intenzity brzdného žiarenia na úkor tzv. synchrotrónového žiarenia, pri ktorom elektróny čoraz intenzívnejšie strácajú energiu vplyvom zmeny dráhy spôsobenej intenzívnym magnetickým poľom na úkor zmeny dráhy vplyvom elektromagnetického poľa iónov. Pri dostatočne vysokej hustote plazmy - ktorej zvyšovanie je tretím procesom v boji proti brzdnému žiareniu - sa cyklotrónové žiarenie účinne pohlcuje. Pri dostatočne vysokej hustote sa teda plazma stane pre bremsstrahlung aj synchrotrónové žiarenie nepriehľadná a energia žiarenia sa spätne pohltí. Potrebné magnetické pole musí pri reálne dosiahnuteľných hustotách plazmy nadobúdať extrémne hodnoty - rádovo milión tesla pri hustote plazmy porovnateľnej s hustotou pevných látok. Experimenty už stoja blízko pred týmito hodnotami - napr. Dense Plasma Focus dosiahlo intenzity 40 tisíc tesla (s možnosťou ďalšieho výrazného zvýšenia) a laserová fúzia už vytvorila magnetické polia s intenzitou 300 tisíc tesla pri hustote plazmy približne stonásobne prevyšujúcej hustotu olova. Umožnené krátkym časom ich trvania a veľkou hustotou energie sú to vskutku ohromujúce parametre - porovnajme si, že napr. Large Hadron Collider (LHC) používa supravodivé magnety so štyridsaťtisíckrát menšou intenzitou ("iba" 8,3 tesla), a ITER bude generovať magnetické pole s maximálnou intenzitou 13,5 tesla. Pre hmatateľnejšiu predstavu uveďme, že už magnetické pole 1 tesla by človeku dokázalo zo zovretia ruky vytrhnúť kovové pero aj keby sa akokoľvek snažil ho v ruke udržať.

Z-pinch prístup vďaka tomu, že vo svojich experimentoch už dosiahol energie elektrónov stokrát nižšie než energie iónov, vhodne doplňuje arzenál účinných technologických prístupov v boji proti brzdnému žiareniu, keďže ako sme si už spomenuli pomalšie elektróny znižujú pomer brzdného žiarenia voči energii uvoľnenej pri fúzii.

Nezanedbateľným faktom je aj skutočnosť, že aj keď je snahou vedcov brzdné žiarenie minimalizovať, zďaleka nie je nutné ho úplne eliminovať. Aj samotné zvyškové bremsstrahlung je totiž možné využiť na produkciu elektrickej energie, keďže v prípade p-11B reakcie bude uvoľňované najmä vo forme röntgenového žiarenia, ktoré sa dá pomocou dobre známeho fotoelektrického efektu priamo premieňať na elektrickú energiu. 

Priama konverzia energie

Bezneutrónová fúzia ponúka výhodu priamej konverzie energie alfa častíc a brzdného žiarenia na energiu elektrickú - pohybujúce sa elektricky nabité alfa častice prenášajú prostredníctvom elektromagnetickej interakcie svoju kinetickú energiu na elektróny nachádzajúce sa vo vodiči v ich blízkosti, a podobne i röntgenové žiarenie pri prechode vodivými platňami generuje vďaka tzv. fotoelektrickému javu tok elektrónov (t.j. elektrický prúd). I keď takáto konverzia v energetickej praxi ešte nebola zrealizovaná (pretože žiaden súčasný zdroj energie neprodukuje priamo elektricky nabité častice), je postavená na existujúcich a dobre známych technológiách využívaných v iných oblastiach. Vďaka svojej relatívnej jednoduchosti oproti súčasným nepriamym konverziám proces jej implementácie bude spočívať len v jeho optimalizácii, bez potreby nových objavov. Priama konverzia značí produkciu jednosmerného prúdu, pričom konverzia na striedavý prúd je síce jednoduchý, avšak pomerne nákladný proces. Viacero dnešných elektrární však už cielene používa vysokovýkonné (rádu gigawattov) prenosové sústavy s jednosmerným prúdom (tzv. HVDC, High-Voltage Direct Current), keďže prenos jednosmerného prúdu je menej stratový ako prenos striedavého prúdu a DC elektrické vedenie si vyžaduje menšie konštrukčné náklady. Bezneutrónový reaktor však v prípade potreby umožňuje využiť aj klasickú premenu energie cez parný cyklus, je teda v tomto smere značne flexibilný.

Záver

Popri v tomto článku popísaných konceptoch existujú i ďalšie (napr. fúzia využívajúca urýchľované zväzky častíc), sú však menej rozvinuté alebo trpia závažnejšími technologickými problémami či neistotami. Z tohto dôvodu sme sa im v tomto článku nevenovali. V každom prípade, realizácia niektorého z vyššie popísaných alternatívnych prístupov k rentabilnému využitiu riadenej bezneutrónovej fúzie by vďaka jej predovšetkým z ekologického pohľadu atraktívnym benefitom znamenala prevratný okamih vo vývoji pozemskej civilizácie, okamih významnejší než využívanie jadrovej štiepnej energie a predstavujúci výrazný posun i oproti pripravovaným fúznym tokamakom typu ITER. Uvedené prístupy by navyše v porovnaní s tokamakmi umožnili flexibilnejší, finančne menej náročný a geograficko-politicky rovnomernejší pokrok, a to i v prípade využitia len pre neutrónovú fúziu, keďže vďaka jednoduchšej a menej nákladnej konštrukcii reaktorov by si ich mohli dovoliť budovať aj rozvojové krajiny.

Samozrejme, príroda má častokrát pre vedcov a inžinierov skryté nečakané prekážky. Tie môžu vyústiť napr. do ďalších komplikácií vo vývoji tokamakov a následne urýchliť progres alternatívnych konceptov, avšak nie je možné vopred s istotou vylúčiť ani opačný scenár - že ich súčasný pozitívny vývoj v istej fáze narazí na neprekonateľné prekážky (či už z dôvodov nedostatkov teórie, predovšetkým v redukcii brzdného žiarenia; alebo technologicko-materiálových obmedzení). Dôležitým faktom však zostáva skutočnosť, že existujú reálne vyvíjané a na veľmi odlišných princípoch založené paralelné prístupy, ktorých aktuálne výsledky experimentov podporujú pozitívne teoretické očakávania riešiteľnosti prekážok. Nie je teda nepravdepodobné, že prinajmenšom jeden z alternatívnych konceptov bude schopný dosiahnuť svoj cieľ. Umožní to nielen ekologické rozšírenie či odstránenie energetických limitov ľudstva a obmedzenie jeho možnej degenerácie, ale aj ďalší prudký rozvoj v mnohých oblastiach, nevynímajúc napr. fúzne pohony pre medziplanetárne či medzihviezdne lety ako ďalšiu dôležitú súčasť evolučného pokroku pozemskej civilizácie.

Z dlhodobého hľadiska totiž nie je postačujúce, aby sa ľudstvo uspokojilo len s pasívnymi formami produkcie energie nedovoľujúcimi flexibilne premiestňovať zdroj energie (napr. solárna energia) – tie nám síce umožnia výrazný rozvoj v rámci slnečnej sústavy, avšak nie účinnú expanziu do vzdialenejšieho vesmíru. Sú totiž použiteľné predovšetkým v blízkosti hviezd a ich planetárnych sústav. Pre medzihviezdne lety je možné pasívne formy produkcie energie použiť len nepriamo - napr. v prípade solárnej energie prostredníctvom "plachetníc" poháňaných laserom alebo časticovým zväzkom vysielaným z okolia hviezdy. Ich použitie pre medzihviezdne lode s ľudskou posádkou je vďaka nevyhnutne veľkej hmotnosti plavidiel a z toho vyplývajúcim extrémnym nárokom na výkon vysoko neefektívne a nepraktické. Ak teda ľudstvo nechce zostať uväznené v bezprostrednom okolí svojej materskej hviezdy, potrebuje od nej byť energeticky nezávislé. Bezneutrónová fúzia by mohla byť jednou z efektívnych, ekologických a materiálovo i biologicky bezpečných možností.

 

Autor: Juraj Kotulič Bunta, Ph.D

(LinkedIn

Podrobnejšie informácie a výber odporúčaných referencií:

Všeobecné:
Aneutronic fusion
Understanding the 11B(p,α)αα reaction at the 0.675 MeV resonance , Physics Letters B, 2011 (pdf)

Polywell:
Polywell
EMC2 Fusion Development Corporation
The Advent of Clean Nuclear Fusion: Super-performance Space Power and Propulsion, 57th Int'l Astronautical Congress, Spain, 2006  (pdf)
Polywell Discussion Forum 

Dense Plasma Focus:
Dense Plasma Focus
Focus Fusion Society
Lawrenceville Plasma Physics, Inc
Prospects for P11B Fusion with the Dense Plasma Focus: New Results, 5th Symposium "Current Trends in Int'l Fusion Research: A Review", USA, 2003

Laser fast ignition:
HiPER Laser Fast Ignition
Fusion energy without radioactivity: laser ignition of solid hydrogen–boron (11) fuel, Energy & Environment Science, 2010 (pdf)
Observation of neutronless fusion reactions in picosecond laser plasmas, Physical Review E 72, 2005 (pdf)
100-MHz multi-terawatt femtosecond Ti:sapphire laser with a regenerative amplifier, Chinese Optics Letters, 2007 (pdf)

Z-pinch:
Z-pinch for Energy - Sandia National Laboratory ("Z-machine")
Z-pinch Inertial Fusion Energy

Your rating: Žiadna Average: 5 (33 votes)