Simona Říhová Markéta Šindelářová Monika Syslová Jan Kráčmera SYNTÉZA JADER Simona Říhová Markéta Šindelářová Monika Syslová Jan Kráčmera

Co je to syntéza jader? Sloučením dvou lehčích jader vznikne jádro těžší a uvolňuje se přitom část vazbové energie. Pro tuto reakci je vhodným "palivem" například vodík, nebo deuterium. Zásoby těchto látek jsou v přírodě prakticky nevyčerpatelné, například koncentrace deuteria v mořské vodě je 0,015 %. Problémem slučování jader jsou velké odpudivé síly (elektronový obal, kladná jádra), které brání vzájemnému přiblížení jader. Za těchto podmínek probíhá slučování (termonukleární reakce) při výbuchu vodíkové bomby nebo v nitru hvězd. Řízená termonukleární reakce je zatím stále ve stadiu výzkumů.

Jaký je rozdíl mezi syntézou jader a jaderným štěpením? Provoz současných jaderných elektráren se štěpnými reaktory v sobě kromě jejich problémů při těžbě, výrobě jaderného paliva a následného uložení vyhořelého paliva skrývá i jisté provozní riziko. I přes současný stav techniky nelze vyloučit možnost havárie jaderného reaktoru. Z havárií štěpných reaktorů v nedávné minulosti lze jmenovat 1957-Windscale Anglie, 1979-Three Mile Island USA dosud největší havárie v dubnu 1986-Černobyl SSSR. Všechny tyto havárie byly způsobeny lidským faktorem. Fúzní reaktory pracují na zcela rozdílném principu. K zažehnutí štěpné jaderné reakce je potřeba jisté kritické množství štěpného materiálu. Takže reaktor při běhu obsahuje poměrně velké množství radioaktivního paliva. Fúzní reaktor nevyžaduje pro provoz žádné kritické množství paliva a v reaktoru je přítomno jen právě spalované palivo, které je průběžně doplňováno. Dalším výrazným ekologickým pozitivem je, že uvažované fúzní reakce neprodukují žádný přímý radioaktivní odpad. Jistá radiace v současných reaktorech vzniká na stěnách velkých tokamaků, které jsou vystaveny toku neutronů vznikajícím při reakci.

Fúzní reakce a konstrunkce teroidního reaktoru Jaderná fúze je jaderná reakce, při které se spojením jader lehkých prvků vytvoří nové těžší jádro za současného uvolnění energie. K tomu je třeba, aby se dvě lehká jádra k sobě přiblížila na dosah jaderných sil, kdy se pravděpodobnost průniku bariérou odpudivých coulombovských sil tunelovým jevem značně zvětší a může dojít k jejich sloučení. Jadernou fúzi si můžeme představit jako opačnou reakci ke štěpné reakci. Zatím co ve štěpné reakci se štěpením jader těžkých prvků za vzniku rychlých neutronů a vysokou kinetickou energií vytvářejí prvky lehčí-prvky ležící uprostřed Mendělejovy tabulky v okolí železa . Jaderná fúze představuje slučování jader lehkých prvků na prvky těžší se současným uvolňováním rychlých neutronů s vysokou kinetickou energií.V obou případech využíváme energii rychlých neutronů,které vhodným způsobem zbrzdíme a přeměníme tak část jejich energie na energii tepelnou.Velikost uvolněné energie u fúzní reakce a u štěpné reakce se od sebe velmi liší.

Elektrárny Prvním předpokladem je dosáhnout takového stavu syntézy, aby energie do procesu dodávaná byla převýšena energií z procesu odebíranou. Energetický zisk je plně závislý na výšce teploty dosažené ve "spalovacím prostoru" zařízení. Přes všechny dosavadní úspěchy, kdy se krůček za krůčkem stupeň dosažené teploty zvyšuje, je cesta k plnému využívání termonukleární energie značně vzdálená. Dnes lze jen těžko předpovědět, jak bude zařízení i celá elektrárna vyhlížet i jaký typ reaktoru bude použit. Volba bude záležet na mnoha dosud ještě ani ne dobře známých okolnostech. Bude-li uvažována účinnost 40 %, pak pro elektrický výkon 1000 MW bude nutné dosáhnout výkon reaktoru 2 500 MW.Dnes bychom jistě pro prstenec komory kvůli vysokým teplotám volili molybdenové slitiny. Uzavřen by měl být v plášti naplněném roztavenými solemi fluoridů berylia a lithia. Kolem této vrstvy bude další ochranný plášť na ochranu proti neutronům. Vinutí magnetů bude provedeno ze supravodivého materiálu. Povaha provozu bude potřebovat ještě dodatečný zdroj tritia vyráběného z lithia ostřelováním neutrony. V případě využití laserových reaktorů není vyloučeno, že bude použito hvězdicovité uspořádání laserových systémů. Výroba palivových terčíků je velmi složitá a nákladná. Náplň D-T (deuterium-tritium) je uzavřena pod vysokým tlakem při nízkých teplotách do kapslí a je pokryta kovovými, plastovými anebo kombinovanými skořápkami. Ideální a velmi výhodné bude vynechat tritium a fúzní reakci provozovat pouze na základě deuteria. Elektrárny ve světě      Systém reaktorů tokamak je zkoumán ve všech vyspělých státech ( USA , Francie, Rusko ,Japonsko ). Také v České republice je prováděn výzkum na malém tokamaku pod názvem CASTOR.

Tokamak      Koncepce tokamaků se zrodila v Sovětském svazu a u jeho zrodu stál L.A.Arcimovič. Tokamak je prstencová komora v toroidálním magnetickém poli, v níž je plazma stabilizováno poloidálním polem vytvářeným proudovým impulsem v samotném plazmatu. Prstenec plazmatu tvoří sekundární závit obrovského transformátoru. Toroidální proud tekoucí plazmatem má tři funkce: stabilizuje plazma, v důsledku jevu je izoluje od stěn a zároveň ho chmicky zahřívá. K zapálení výboje v takové trubici není třeba umísťovat elektrody. Stačí situovat trubici tak, aby tvořila sekundární vinutí transformátoru, a do primáru transformátoru pak zavést impuls elektrického proudu. Tím vznikne uvnitř výbojové trubice elektrické napětí, které ionizuje deuterium. Obdobně jako v trubici s elektrodami nastane uzavřený prstencový výboj, který se po jeho zúžení vlivem silného magnetického pole soustředí v ose trubice a stěn se vůbec nedotkne. Tepelné zatížení stěn tak sníží na technologicky zvládnutelnou hodnotu 1000-1300 ° C. Vnitřní nádoba je obklopena pláštěm z tekutého lithia, který má tyto funkce:

Ochlazování stěny nádoby. Zajišťuje odvod podstatné části tepelné energie. Jelikož největší část energie reakce D+T se uvolní ve formě kinetické energie neutronů, která není nejvhodnější na využití, musíme ji proto přeměnit na tepelnou energii a využít tepelný cyklus v parní elektrárně. Jako médium pro tepelný cyklus se předpokládá sůl Li2BeF4, která se používá současně na přenos tepelné energie, tak i na zpomalování neutronů.Tekutý absorbátor neutronů je oddělen od oblasti plazmatu tzv. první stěnou. Všechna energie použitá v tepelném cyklu musí přes první stěnu přenést neutrony s vysokou energií, a proto je výběr materiálu pro první stěnu velmi důležitý. Měla by být tvořena grafitem nebo vodou obohacenou bórem, resp. z niobu, molybdenu, vanadia nebo nereznoucí oceli. V tomto obalu se zpomalují a pohlcují neutrony, které by jinak unikaly z reaktoru. Nad touto vrstvou je tepelná izolace a vrstva supravodivých cívek vytvářejících silné magnetické pole uvnitř reaktoru. Je místem vzniku tritia. Tritium se odděluje a odvádí do skladů nového paliva, v nichž se podchlazuje do tvaru kuliček a společně s deuteriem vstřikuje zpět do reaktoru

Princip tokamaku vodíkový plyn tvoří v sekundárním obvodu obřího transformátoru smyčku nakrátko. Tak je v plynu indukován obrovský elektrický proud, který jej zahřívá na extrémní teploty. Při těch jsou atomy vodíku roztrhány na volné elektrony a volná jádra - vzniká tzv. vodíkové plazma. Cívky vytvářejí silné magnetické pole, spolehlivě izolující vodíkové plazma od chladné konstrukce. Plazma může být navíc přihříváno elektromagnetickým vlněním ze silných vysílačů a rychlými atomy vodíku z urychlovačů.

Pohled do komory tokamaku JET Pohled do komory tokamaku JET, ve které v roce 1991 poprvé proběhla v měřitelném rozsahu řízená termonukleární syntéza.

Tokamak JET v Culhamu u Oxfordu - společný experiment Evropského společenství.