ízená termojaderná syntéza energie budoucnosti? Jií Orsava

Transkript

1 ízená termojaderná syntéza energie budoucnosti? Jií Orsava Bakaláská práce 2009

2

3

4 ABSTRAKT Tato bakaláská práce podává struný popis problematiky jaderné syntézy. V první kapitole je nastínna definice pojmu plazma. V další kapitole je krátké seznámení s jadernou syntézou a v jaké form se s ní mžeme setkat. Ve tvrté kapitole je popsán mezinárodní projekt ITER. V následující kapitole je uvedené palivo, které pipadá v úvahu pro jadernou elektrárnu. A v závru je diskuse mezi zastánci a odprci projektu ITER a dopady na životní prostedí. Klíová slova: plazma, Slunce, vodíková bomba, magnetické udržení, inerciální udržení, ITER, vodík, lithium, regolit ABSTRACT This bachelor thesis gives a brief description of the issue of fusion. In the first chapter gives an overview of the definition of plasma. In the next chapter is a brief introduction to fusion and in what form it can be seen. In the fourth chapter describes the international ITER project. In the next chapter is referred to the fuel, which should be taken into account for the nuclear power plant. And at the end is the debate between proponents and opponents of the ITER project and the impacts on the environment. Keywords: plasma, Sun, hydrogen bomb, magnetic confinement, inertial confinement, ITER, hydrogen, lithium, regolith

5 Dkuji vedoucímu mé bakaláské práce, p. Inngg. I. Maar rkkéét taa JJuul linnoovváá PPhh..D.. za poskytnuté rady a etné konzultace, které mi velmi pomohly ve vypracování mé bakaláské práce. Prohlášení: Prohlašuji, že jsem na bakaláské práci pracoval samostatn a použitou literaturu jsem citoval. V pípad publikace výsledk, je-li to uvedeno na základ licenní smlouvy, budu uveden jako spoluautor. Ve Zlín, podpis

6 OBSAH ÚVOD HISTORIE PLAZMA DRUHY PLAZMATU PROCESY V PLAZMATU NKTERÉ TYPY PLAZMATU A JEJICH VYUŽITÍ JADERNÁ SYNTÉZA SLUNCE VODÍKOVÁ BOMBA ÍZENÁ JADERNÁ SYNTÉZA V POZEMNÍCH PODMÍNKÁCH Magnetické udržení Inerciální udržení ITER HISTORIE PROJEKTU ITER V DATECH [3, 4] CÍLE ITERU PALIVO VODÍK LITHIUM REGOLIT VLIV FÚZNÍ ELEKTRÁRNY NA ŽIVOTNÍ PROSTEDÍ PRO A PROTI NÁZORY VDECKÉ I LAICKÉ VEEJNOSTI...35 ZÁVR...38 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...39 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOL A ZKRATEK...41 SEZNAM OBRÁZK...44 SEZNAM TABULEK...45

7 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 7 ÚVOD S rostoucím potem obyvatel a rozvojem prmyslu se neustále zvyšuje energetická spoteba lidstva, kterou není možno uspokojit jen využitím obnovitelných zdroj energie. Ekologicky pijatelné ešení pro blízkou budoucnost se nazývá termojaderná fúze. Vdci, kteí se na ešení tohoto problému podílejí, jsou jednoznan pesvdeni, že termonukleární energie by mla být v budoucnosti definitivním energetickým zdrojem. Všechny ostatní zdroje vetn jaderné energetiky, založené na štpení atomových jader tžkých prvk, jsou podle jejich mínní pouze doasné. [1] Zatímco dnes se vyrábí energie v jaderných elektrárnách štpením atomových jader, fúze je proces opaný jádra se sluují. Takový proces probíhá napíklad na Slunci. Na Zemi vzniká nyní taková energie pouze v pokusných reaktorech. Strit Slunce do krabiky je fajn nápad, ale nevíme, jak udlat tu krabiku. Jií Cerman [2]

8 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 8 1 HISTORIE Teoreticky lze považovat za zaátek rok 1905, kdy Albert Einstein publikoval svoji teorie relativity (speciální) a asi nejznámjší rovnici E = m.c 2. O 15 let pozdji v roce 1920 Sir Arthur Stanley Eddington jako první navrhl, že hvzdy berou svoji energii sluováním lehkých prvk. V téhle dob, však stále ješt neexistoval pojem plazma. Tento termín byl použit až v roce 1928 Irvingem Langmuirem a plazmatem nazval kladný sloupec výboje v plynu (analogie oscilací nábojového oblaku a krevní plazmy s gelovou konsistencí). O rok pozdji (1929) Robert d'escourt Atkinson a Friedrich Georg Houtermans vyslovili hypotézu o sluování jader vodíku za vzniku helia jako zdroje energie hvzd. První fúzní reakce ízená lovkem byla uskutenna E. Rutherfordem a jeho týmem v roce 1934 v Anglii. Jednalo se o fúzi jader deuteria na urychlovai. Bhem pár následujících let se objevovali první výzkumy na provedení termojaderných reaktor. Také zaíná a koní druhá svtová válka, pi které byla vyrobena atomová bomba. Po skonení války dochází ke zbrojení a zdokonalování atomových bomb a také k vývoji vodíkové bomby. V roce 1951 prezident Argentiny Juan Perón oznamuje svtu zvládnutí termojaderné reakce. Pozdji bylo prokázáno že šlo o podvod. V tomto roce vznikl návrh tokamaku od A. D. Sacharova a I. E. Tammena v bývalé SSSR. A v USA vznikl návrh na steleátor od L. Spitzera. Následujícím roce 1952 byla otestována první vodíková bomba Spojenými státy americkými a to 1. listopadu na Marshallových ostrovech. O rok pozdji 12. srpna také otestovala SSSR svoji vodíkovou bombu v Semipalatinsku (Kazachstán). Roku 1955 bylo definováno kritérium pro nulový zisk, tzv. breakeven, termojaderného reaktoru (výkon pro dosažení a udržení teploty plazmatu). Toto kritérium je známo jako Lawsonovo kriterium. V tomto roce se také koná 1 st International Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy jejímž závrem je, že by jaderná fúze mla být zvládnuta bhem následujících 25 let. Do roku 1958 USA a SSSR pracují na úkolu zvládnutí jaderné fúze samostatn a pod písným utajením. V tomhle roce se koná 2 nd International Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy, kde dochází k odtajnní výzkumu na obou stranách a následn ke vzájemné spolupráci. eská republika (bývalá SSR) se také zapojuje do výzkumu plazmatu a to rokem 1959, kdy vzniká Ústav vakuové elektroniky eskoslovenské akademie vd (ÚVE SAV). Dnešní název je Ústav fyziky plazmatu Akademie vd eské republiky (ÚFP AV R). Postupn bhem následujících let dochází k nových objevm v chování plazmatu a ke zdokonalování prvních prototyp na spuštní jaderné syntézy v laboratorních podmínkách. V roce 1961 G. J. Linhart zavádí pojem

9 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 9 inerciální udržení (palivo je zaháto tak rychle, že dosáhne podmínek k zapálení fze a zane hoet pedtím, než se rozletí a setrvanost paliva zabrauje jeho okamžitému úniku). O dva roky pozdji v roce 1963 N. G. Basov a O. N. Krochin navrhli použití laseru k zapálení ízené termonukleární reakce. V Novosibirsku se podailo v r dosáhnout C. Bylo to zaízení tokamak T-3. Tato teplota byla posléze potvrzena Britskými fyziky. Tenhle úspch na tokamaku znamenal pestavbu stávajících zaízení na tokamaky a následný výzkum byl zamen tímhle smrem. V roce 1973 se R. M. Nixom s L. I. Brežnvem domluvili o posílení spolupráce mezi obma státy. V tomhle roce také dochází k první naftové krizi na Stedním východ, což mlo za následek zvýšení dotací na výzkum. Zaínají se stavt vtší a výkonnjší zaízení. V roce 1978 se podailo na tokamaku PLT (Princeton Large Torus) v USA dosáhnout teploty C. Taktéž SSSR dosahuje úspchu, když spustí první tokamak se supravodivými magnetickými cívkami na tokamaku T-7. Roku 1983 je zahájen provoz na nejvtším tokamaku JET (Join Europen Torus) na svte. Na tomhle zaízení se podailo pekroit 1MA elektrického proudu plazmatem. V roce 1987 v Ženev se pedstavitelé EU, SSSR, Japonska a USA se dohodli na spolupráci pi návrhu fúzního reaktoru ITER (pvodn zkratka, dnes je to oznaení z latiny cesta). V následujících letech se k projektu ITER pidávají další a další státy. Mezi první co se pidávají je Kanada. Další jsou pak eská republika prostednictvím SSSR (1988), která je zapojena do projektu dodnes. USA se z projektu pozdji odstoupila, aby se pak znovu k projektu vrátila. Mezitím probíhající výzkum zaznamenává ím dál lepší výsledky ve výkonu reaktor. V roce 1998 staví Japonsko nejvtší a supravodivý stelleátor na svt. V roce 2004 dne 28.ervna je rozhodnuto o míst výstavby ITERu - Cadarache (Francie). V dnešní dob nadále probíhá výzkum a vývoj jaderné fze i pes to, že projekt ITER má menší zpoždní oproti plánovanému harmonogramu. [3, 4]

10 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 10 2 PLAZMA Aby mohla probhnout jaderná syntéza, musí být hmota ve stavu plazmy. Bez porozumní této problematiky nebudeme schopni jaderné syntézy. Odhaduje se, že asi 99 % hmoty ve vesmíru je ve stavu plazmy. Pouze 1 % zbývá na další ti skupenství. Na Zemi plazma není bžná a mžeme se s ní setkat teba ve form plamene, blesku, ionizovaného plynu v záivkách nebo reklamních výbojkách i polární záe. Nebo když opouštíme Zemi setkáme se s ní v magnetosfée v okolí Zem. Plazma se od ostatních skupenství odlišuje. V závislosti na teplot se látka vyskytuje ve stavu pevném. Po dodání energie pechází do stavu kapalného a dále do stavu plynného. Pechod do stavu plazmatického je pozvolný. Teprve asi pi teplotách 10 5 K jsou srážky plazmatu tak prudké, že se neutrální atomy pln ionizují. Plazma je tedy sms elektricky nabitých a neutrálních ástic, které na sebe navzájem psobí. Na Obr.1. je uvedené srovnání charakteristických vlastností jednotlivých skupenství. [5, 6, 7] Obr.1. Význané vlastnosti jednotlivých skupenství hmoty [5]

11 UTB ve Zlín, Fakulta technologická Druhy plazmatu Plazmu mžeme rozdlit [5, 6, 7]: - bžné plazma Elektronové obaly atom jsou ásten poškozené (vysokou teplotou nebo tlakem). Volné elektrony jsou zodpovdné za plazmatické vlastnosti látky. - termonukleární plazma Atomární obaly neexistují, látka je smsicí holých jader a volných elektron. V tomto stavu je plazma v jádrech hvzd, kde probíhá termojaderná syntéza. - nukleonové plazma Vysokou teplotou nebo tlakem jsou rozrušena sama jádra atom. Látka je smsicí elektron, proton a neutron. - kvark-gluonová plazma Pi vysokých energiích jsou roztaveny samotné nukleony na své konstituenty kvarky a gluony. 2.2 Procesy v plazmatu V následujících bodech jsou strun sumarizovány procesy probíhající v plazmatu a základní vlastnosti charakterizující plazma. [5, 6, 7] a) Srážky a jejich dlení [5, 6, 7] - pružné Pi tchto srážkách zstává zachována kinetická energie. Souet kinetických energií ástic ped srážkou a po srážce je stejný. ástice si zachovávají stejnou vnitní strukturu. Mní se smr a velikosti rychlosti. Píkladem mohou být srážky nabitých a neutrálních ástic pi jejich tepelném pohybu v plynu. - nepružné Pi tchto srážkách zstává zachována celková energie, ne však kinetická. Podle zpsobu pemny energie pi srážce dlíme dále tyto srážky takto

12 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 12 nepružné srážky prvního druhu (Obr.2.) Pi tchto srážkách se mní ást kinetické energie ped srážkou ve vnitní energii ástic po srážce. nepružné srážky druhého druhu (Obr.3.) Zde se mní ást vnitní energie ped srážkou v kinetickou energii ástic po srážce Obr.2. Pehled nepružných srážek prvního druhu [5]

13 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 13 Obr.3. Pehled nepružných srážek druhého druhu [5] b) Ionizace [5, 6, 7] Pojmem ionizace oznaujeme dj, pi kterém se vnjším zásahem odtrhne elektron z neutrálního atomu, nebo molekuly. c) Maxwellova rozdlení [5, 6, 7] Pro popis plazmy je zapotebí znát, jakým zpsobem jsou rozdleny rychlosti ástic (rovnice 1), které tvoí plazmu, a to jak co do smru, tak co do velikosti. (Obr.4.) dn 3 2 m = /1/ 2 π kt 2 2 kt ( v ) 4 π n v exp 2 dv mv kde n celkový poet ástic; k - Boltzmanova konstanta ( k = 1, JK -1 ); 1/2mv 2 kinetická energie ástic s rychlostí v;

14 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 14 Obr.4. Prbh Maxwellovy rozdlovací funkce pro jednu teplotu [5], kde v p nejpravdpodobnjší rychlost; v -- - stední rychlost; v k stední kvadratická rychlost; dv velmi malý pírstek rychlosti v d) Teplota [5, 6, 7] Teplota je v tsném vztahu se stední kinetickou energií ástic s Maxwellovým rozdlením a je dána rovnicí 2: E k = 2 3 kt /2/ kde T - termodynamická teplota; E k - stední kinetická energie; k - Boltzmanova konstanta Jednotky mžeme vyjadovat v kt pro energii, tzv. elektronvoltech (1eV = 1, J). Na základ domluvy pak uvádíme, že energie 1eV odpovídá teplot K. Z pohledu teploty mže být plazma - neizotermická Elektrony a ionty mají odlišné zastoupení s rozdílnými teplotami T e (teplota elektron) a T i (teplota iont). - izotermická Termodynamickou rovnováhu mžeme charakterizovat teplotou jednoho druhu ástic.

15 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 15 e) Kvazineutralita plazmatu [5, 6, 7] Plazma, kde v dostaten velkém objemu nebo v dostaten asovém intervalu je pibližn stejný poet kladn a záporn nabitých ástic. Pak mohou být zavedeny pojmy popisující plazmu a její existenci: - Debyeova stínící vzdálenost b musí platit b < L; L rozmr systému (oblasti vyplnné plazmatem) - poet ástic v Debyeov sfée N D kdy N D >> 1 - plazmová frekvence ω pro kterou platí ωt > 1 f) Záení plazmatu [5, 6, 7] Úpln ionizované vodíkové plazma obsahuje jen protony a elektrony. Žádná z tchto ástic nemá spektrální áry jako atom. Elektrony a protony ve voln ionizovaném vodíkovém plazmatu vyzaují proto jen elektromagnetické vlny šumového charakteru, vyvolané tím, že pi srážkách elektronu s elektronem nebo iontem dojde prudké zmn smru jeho pohybu. Plazma tohoto typu vysílá záení v širokém oboru vlnových délek, které sahají až do ultrafialové a rentgenové oblasti, je-li teplota dostaten vysoká. Není-li plazma pln ionizovaná, vyzauje i árové spektrum. Každý atom i iont má své charakteristické spektrum, které má vždy spektrální áry i ve viditelné oblasti. Podle charakteristických ar tchto spekter je možno urit atom nebo iont, který se v plazmatu vyskytuje, a srovnáním intenzity spektrálních ar lze urit i teplotu plazmatu. Touto problematikou se zabývá optická emisní spektroskopie (OES), která se využívá ke zkoumání elementárních a chemických proces v plazmatu. 2.3 Nkteré typy plazmatu a jejich využití Plazma elektrických výboj [5, 6, 7] Vlastnosti elektrických výboj urují rzné parametry, které jsou na sob vzájemn závislé. Zmna jednoho ovlivuje tak ostatní. Jsou to naptí na elektrodách, proud tekoucí výbojovou drahou, chemické složení plazmatu, elementární procesy probíhající ve výbojové dráze, tvar a materiál elektrod.

16 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 16 Výboje tvoí nabité ástice, a tím elektrický proud, který je a nebo není vázán na vnjší ionizaní inidlo. Výboje pak mžeme dlit na nesamostatné (výboj pestane, když perušíme psobení ionizaního inidla; užití je v ionizaních komorách a poítaích ástic) a samostatné (výboj mže vzniknout a udržet se i v pípad, kdy nepsobí ionizaní inidlo; výboje jsou temný výboj, koróna, doutnavý výboj, obloukový výboj, jiskrový výboj). Pechod nesamostatného na samostatný výboj je možný. Pechod závisí na zmn elektrického proudu výboje a naptí mezi elektrodami. Plasmatický laser [5, 6, 7] Laser je optický generátor svtla, v kterém vzniká novým zpsobem svtelné záení. Lasery mžeme rozdlit podle aktivního prostedí a to na plynové, v pevné fázi a polovodiové. Plynové pak dále mžeme rozdlit na atomární (p. He-Ne laser, jodový laser), iontové (p. argonový laser), a molekulové (p. vodíkový laser, CO 2 laser). Vlastnosti laseru: - monochromatinost, frekvence vysílaného záení je velmi blízká jediné frekvenci - koherence - vysoká smrovost ( malá rozbíhavost ) paprsku - vysoká intenzita záení - polarizace, svtlo je lineárn polarizované Využití laseru je velmi široké, nap. holografie, chirurgie, výpoetní technika, obrábní materiál, spektroskopie, mení vzdáleností, aj. V jaderné syntéze je využíván k zapalování plazmatu; dív se používal CO 2 laser s vlnovou délkou 10,6 µm, dnes se používá neodymový laser (pevná fáze) s vlnovou délkou 1,054 (blízké infraervené oblasti).

17 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 17 Plazmochemie [5, 6, 7] Je to vda, která se zabývá chemickými látkovými pemnami v plazmatu vetn reaktivních proces na hraniních plochách s jinými materiály. Plazmochemii mžeme rozdlit na: - Izotermická plazmochemie Reakce probíhají v elektrickém oblouku nebo v plazmatronu (klasický nebo vysokofrekvenní). Teplota se pohybuje 10 3 až 10 4 K, entalpie 10 6 J.kg -1 až 10 8 J.kg -1 a okolo normálního tlaku (10 5 Pa). Tímto zpsobem mohou vznikat produkty s novými vlastnostmi a velmi isté sloueniny. - Neizotermická plazmochemie Jde o reakce probíhající mimo termodynamickou rovnováhu. Plazma je málo ionizována. Má vysokou teplotu elektron T e 10 4 K a relativn nízkou teplotu neutrálního plynu 10 3 K T g. Pro neizotermické dje v molekulárních plynech je charakteristické: T e T v T r T g, kde T g teplota neutrálního plynu; T r rotaní teplota ( molekul ); T v vibraní teplota ( molekul ); T e teplota elektron. Tlak je 10-2 až 10 3 Pa. Používá se na zmny povrchových vlastností pírodních i syntetických polymerních materiál. Nkteré typy plazmatu vytvoené v laboratorních podmínkách [5, 6, 7]: - laserové plazma doba života: s - pulsní plasma doba života: s - tokamak doba života: 1 s - studené plazma doba života: hodiny, dny, roky

18 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 18 3 JADERNÁ SYNTÉZA Roku 1939 dokázal Hand Bethe (pozdji odmnn cenou Alfréda Nobela), že hvzdy se bhem svého života krmí energií, kterou získají syntézou malých vodíkových jader na jádra vtšího helia [2]. Slunce se tak stává nejen zdrojem svtla, tepla, ale i taky zdrojem inspirace pro jadernou syntézu. To co samovoln probíhá na Slunci se lovk snaží napodobit v pozemských podmínkách. 3.1 Slunce Slunce hvzda, která se zformovala asi ped 4,6 miliardy let zárove s naší slunení soustavou. Slunce tvoí vtšinu (99 %) hmoty v naší soustav. Poloha je v 1/3 prmru disku naší Galaxie cca svtelných let od jejího stedu. V tabulce I jsou uvedeny základní parametry Slunce. [8], [9] Tab.I. Nkteré fyzikální vlastnosti Slunce [8] Hmotnost [kg] 1,989 * Prmr [km] Teplota povrchu [K] Teplota jádra [K] Hustota povrchu [kg/m 3 ] 2,07*10-4 Hustota jádra [kg/m 3 ] Celková svítivost [erg / s -1 ] 3,846*10 33 Celkový výkon [W] 3,846*10 26

19 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 19 Zdrojem energie Slunce je jaderná syntéza prvk ( vysoké teploty a tlaky ) za vzniku tžších prvk a uvolování energie. Na Slunci mohou probíhat rzné typy reakcí. Pro termojadernou fúzi realizovanou na zemi jsou nejdležitjší tyto reakce: 1) proton protonový cyklus PP I 2) proton protonový cyklus PP II PP cyklus I Probíhá pi teplotách okolo 10 7 K a hustot 100 g.cm -3. a) První reakcí proton protonového cyklu je vznik deuteronu kombinací dvou proton za emise pozitronu a neutrina ( rovnice 3 ). /3/ b) Deuteron se spojí s protonem a vzniká jádro a foton (gama záení) ( rovnice 4 ). c) Posledním krokem je reakce dvou jader, které vytváejí a dva protony ( rovnice 5 ). /4/ /5/ Reakce mže probíhat dál až po vznik beryllia a jeho rozpadu na dv jádra helia. Tento cyklus je pevažující reakcí na naší hvzd. PP cyklus II Totožný s PP cyklem I, rozdíl nastává až v posledním kroku, který se mže lišit. Jde o produkt beryllia a jeho pemnu na bor. Ten se zase zpátky pemní na beryllium a to se rozpadá na dv jádra helia.

20 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 20 Na Slunci probíhá také ješt další typ jaderné syntézy. A to tzv. CNO cyklus. Avšak snahou vdc celého svta a hlavním cílem projektu ITER je napodobit v pozemských podmínkách práv PP-cyklus. a je to také hlavním cílem projektu ITER. V pozemských podmínkách nemže samovoln probhnout sluování jader. Jediný možný zpsob je, že se na tom bude podílet lovk. Pokud se tak stane, pjde bu o ízenou reakci nebo neízenou. Je smutnou skuteností, že první uskutenní této reakce ( neízené ) došlo pro vojenské úely. Toto byli první praktické pokusy a poznatky, které posloužili jako základ pro pokus o ízenou reakci sluování jader izotopu vodíku. 3.2 Vodíková bomba Vodíková bomba (VB) je silnjší než atomová bomba (AB). Stejn jako je Oppenheimer považován za otce AB je za otce VB považován Edward Teller, který pracoval na projektu Mahattan. Již v té dob prosazoval aby místo AB bylo úsilí vnováno VB. První VB je vyzkoušena na Marshallových ostrovech 1.listopadu SSSR vyzkouší svoji první VB 12. srpna Byly vyvinuty tyi základní typy bomb. [10, 11] Vodíková bomba Je to atomová bomba, jejíž pouzdro tvoí tžké izotopy vodíku - deuterium a tritium. Atomový výbuch vytvoí poátení teplotu nkolika milion C, která rozbhne jadernou fúzi. Kobaltová bomba Jedná se také o vodíkovou bomba, v jejímž obalu je nejen deuterium a tritium, ale i kobalt, který se psobením neutron zmní na izotop s poloasem rozpadu 5,24 roku a dlouhodob zamoí pdu.

21 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 21 Neutronová bomba Vodíková bomba, u které je však omezen její destruktivní úinek a naopak posíleno vyzaování rzných druh záení a zejména proudu neutron (který poškodí obaly bunk, zasažená osoba bez možnosti léení do dn, týdn, msíc nebo i let umírá). Tístupová bomba Je to v podstat vodíková puma, avšak se tetím stupnm, tvoeným pláštm z 238 U. Rychlé neutrony vzniklé z jaderné fúze štpí 238 U a tím je zvýšena úinnost. 3.3 ízená jaderná syntéza v pozemních podmínkách V pozemských podmínkách máme dva základní zpsoby jak dosáhnout jaderné syntézy. První pípad je magnetické udržení. To znamená, že pro fungování mu staí nízké hustoty ástic (n ~ m 3 ), ale velká doba udržení (t E ~1s). Mezi zástupce této koncepce patí tokamaky, stellarátory, theta a Z-pine, kompresní linery, zrcadlové nádoby, torzatrony. Z toho tokamak a stellarátor patí mezi nejvýznamnjší. Druhý zpsob je inerciální udržení. To znamená, že pro fungování mu staí nízká doba udržení (t E ~ s), ale velká hustota ástic (n ~ m 3 ). [14, 15] Magnetické udržení Magnetické udržení spoívá v takové konfiguraci magnetického pole, aby vtšina nabitých ástic sledovala vhodn zakivené magnetické siloáry, a tak nepicházela do styku se stnami komory, v níž se plazma vytváí. [12] Tokamak V roce 1951 v bývalém SSSR A. D. Sacharov a I. E. Tamm navrhli tokamak. Tokamak je zkratka v ruštin a znamená TOroidalnaja KAmera i MAgnitnyje Katuški toroidální komora a magnetické cívky.

22 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 22 Tokamak si mžeme pedstavit jako dutou prstencovou komoru (nafouknutou automobilovou pneumatiku) naplnnou horkým vodíkovým plynem, která je obklopena magnetickými cívkami a transformátorovým jádrem (viz. Obr.5.). [3] Obr.5. Zjednodušené schéma tokamaku [12] Jedná se v podstat o obrovský transformátor, jehož sekundární cívka mající pouze jeden závit má tvar toroidní trubice. Toroid je charakterizován dvma polomry. První, kterému se íká hlavní, udává velikost kružnice vedoucí osou prstence a druhý, oznaovaný jako vedlejší, udává polomr tohoto prstence (viz. Obr.6.). Obr.6. Vyznaení smr bžn užívané v fyzice termojaderné fúze. Toroidní je vyznaen modrou šipkou a poloidní ervenou [16]

23 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 23 Toroidní pole ( hlavní polomr ) je primární proces, který udržuje nabité ástice uvnit prstence. Poloidní pole ( vedlejší polomr ) drží plazmu v dostatené vzdálenosti od stn, formuje jeho tvar a pomáhá udržet jeho stabilitu. Díky tomu, se sníží teplota psobící na stnu komory. Pedpokládá se, že teplota stn bude okolo 1000 až 1300 C. Tato teplota je již technologicky zvládnutelná.uvnit toroidální trubice je plazma a jinak vakuum. Plyn se ionizuje a indukovaný proud jej zahívá na velmi vysokou teplotu ( pibližn na 100 milion C ). Magnetické pole drží plazmu uvnit nádoby. Koncepce tokamaku se využívá u mezinárodního projektu ITER. [3, 12, 13, 14, 15, 16] Stelalátor Je od svého vzniku konstrukní ideou vi Tomaku. Stelarátor byl navržen v roce 1951 L. Spitzerem ( Princeton University, Princeton, USA ). Výhodou stellarátor je možnost oddleného vyšetovaní stability magnetického pole a ohevu plazmy. Nevýhodou zstává znaná složitost konstrukce a nesymetrinost vi hlavní ose, ímž vznikají nadbytené elektrické pole zpsobující další nestability. Stelarátor pedstavuje uzavenou magnetickou konfiguraci. [3] Obr.7. Schéma stellarátoru [17] V dnešní dob je nejvtší stelalátor v Japonsku. Je to LHD ( Large Helical Device ) v Tokiu. Dnes se staví ješt vtší v Nmecku a to Stelarátor Wendelstein W7-X ( Ústav fyziky plazmatu Maxe Plancka, Greifswald ). [14, 15, 16, 17]

24 UTB ve Zlín, Fakulta technologická Inerciální udržení Inerciální udržení je proces, kdy horké plazma, není drženo žádným vnjším silovým polem a reakce musí probhnout vetn ohevu díve, než se objem plazmatu vlastním tlakem rozletí do prostoru. Jedná se vlastn o malý výbuch vodíkové bomby. Používá se drobná tableta zmraženého vodíku, která je spuštna do komory, kde se zaheje. Z Lawsonova kritéria plyne, že musíme plazmu stlait na hustotu 200 g.cm -3. Toho se dociluje pomocí laseru. Energie mže být dodána do tere bu pímo z vnjšího impulsního zdroje energie (pímo hnaná fúze), nebo jako energie mkkého rentgenového záení, na kterou je energie vnjšího zdroje pemnna v materiálu o vysokém atomovém ísle (nepímo hnaná fúze). Jak pímo hnaná, tak i nepímo hnaná fúze má své výhody a nevýhody. Nepímo hnaná fúze má svoje uplatnní i pro vojenské úely. [3, 15, 16]

25 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 25 4 ITER Je to mezinárodní projekt, který zaal vznikat ješt za studené války na podnt M. Gorbaova. Byla to reakce na druhou ropnou krizi, která vznikla v roce 1980 jako následek revoluce v Iránu. ITER byla pvodn zkratka pro International Thermonuclear Experimental Reactor (Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor). ITER je taky slovo v latin a znamená cesta. [3, 4] 4.1 Historie projektu ITER v datech [3, 4] Ženeva - SSSR a USA spolen rozhodli provit fúzní energii v Ženev se pedstavitelé EU, SSSR, Japonska, USA dohodli na spolupráci pi návrhu fúzního reaktoru Kanada se pipojila k projektu jako len evropského týmu Mezinárodní agentrura pro atomovou energii ( IAEA ) ve Vídni pebírá patronát nad spoluprací SSSR, Japonska, USA a Evropské unie ( Kanady ) Conceptual Desing Activities ( CDA ) zahájení projekních prací Ústav fyziky plazmatu AV R se zapojuje do projektu prostednictvím SSSR Ústav fyziky plazmatu AV R se zapojuje do projektu v rámci EURATOM Engineering Design Activities ( EDA ) podepsaná tystranná dohoda o vypracování projektu ( Rusko, USA, EU, Japonsko ) s cílem prokázat fyzikální a technickou dostupnost prmyslového termojaderného reaktoru Final Design Report závrená zpráva: 6mld. US $, 1500MW fúzního výkonu, Q =. USA odstupují od úasti na projektu ITER Kanada první zájemce o místo pro stavbu Final Design Report No 2: redukovaný projekt ITER s poloviními náklady ( mld. US dolar, 500 až 700 MW fúzního výkonu, Q > 10 ) Cadarache ( Francie ), Vandellós ( Španlsko ), Clarington ( Kanada ), Rokkasho-mura ( Japonsko ) místa, která splnila technické zadání pro

26 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 26 Rokkasho-mura ( Japonsko ) místa, která splnila technické zadání pro stavbu ITER vývoj speciální Halovy sondy v Ústavu fyziky plazmatu AV R studie materiálu první stny v ÚFP AV R, ÚJF AV R a v ÚJV ež, a.s ína a USA ( únor ) pipojení k projektu Korea ( erven ) pipojení k projektu Evropa ( 26.listopad ) ze dvou evropských kandidát na místo pro ITER byla vybrána francouzská Cadarache rozhodnuto dne 28.ervna o míst výstavby - Cadarache ( Francie ) prosince Indie se pipojila k projektu listopadu vznik mezinárodní organizace pro realizaci projektu íjna založena organizace ITER ledna podepsána dohoda o partnerství s Monackým knížectvím bezna podepsána dohoda o spolupráci s organizaci CERN ITER pedpokládané první fyzikální experimenty DEMO ( demonstraní reaktor ) pedpokládané zahájení práce na projektu ITER - pedpokládané zahájení technologických experiment DEMO - pedpokládané zahájení výstavby ITER - pedpokládaná demontáž DEMO - pedpokládaná demontáž

27 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 27 Obr.8. Umístnní ITERu ve Francii [4] 4.2 Cíle ITERu Pvodní projekt poítal s tím, že by svými rozmry už kopíroval skutenou elektrárnu. Poté co odstoupilo USA, vznikl nový návrh s menším rozpotem. To vedlo ke zmenšení ITERu. Rozmry oproti JET ( Joint Europen Torus spolený evropský torus ) jsou jenom 2x vtší. Pvodn mli být 3x vtší. Poté co se USA vrátilo a pidali se další státy se rozpoet opt zvýšil. Ale i pesto zstalo u druhého návrhu. Namísto toho budou podporovány doprovodné programy. Projekt má ti hlavní cíle: 1) produkovat více energie než se spotebuje 2) zavést a vyzkoušet klíové technologie potebné pro budoucí elektrárny 3) získávání tritia z lithia, které bude v plášti ( tzv. blanketu ) reagovat s neutrony

28 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 28 Bhem projektu bude ješt spuštn projekt DEMO. A to bude poslední stupe ped skutenou termojadernou elektrárnou. DEMO by mlo vyrábt už elektrickou energii. Návrh termonukleární elektrárny je zobrazen na Obr.9. [3, 4] Obr.9. Termonukleární elektrárna [14]

29 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 29 5 PALIVO Hlavním zdrojem paliva pro projekt ITER a následn fúzních elektráren bude vodík a jeho izotopy. Dalším dležitým materiálem bude lithium. Lithium bude sloužit jako obal, který bude zadržovat neutrony. Srážka neutron s lithiem pak bude generovat tritium, které se bude vracet zpátky jako palivo pro jadernou syntézu. Dalším významným zdrojem materiálu bude regolit. Ale je to otázka vzdálené budoucnosti. Protože na využití tohoto materiálu budeme muset dokázat mnohem víc zvýšit teplotu a tlak než pi reakci vodíku s vodíkem. 5.1 Vodík Je to nejrozšíenjší prvek ve vesmíru. Na Zemi je to tetí nejrozšíenjší prvek a je souástí nejvíce slouenin. Jeho chemie pokrývá prakticky celou periodickou tabulku prvk. Mže tvoit víc jak 40 rzných forem. Má dva izotopy. V pírod se vyskytuje jako 1 H. Jako 2 H (deuterium) se vyskytuje jen 0,0156 %. Jako 3 H ( tritium ) se prakticky nevyskytuje. A to z toho dvodu ze 3 H je radioaktivní s relativn krátkou dobou rozpadu. (Tab.II)

30 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 30 Tab.II. Atomové a fyzikální vlastnosti vodíku, deuteria a tritia [18] Vlastnosti vodík deuterium tritium Relativní atomová hmotnost* 1, , , Radioaktivní stabilita* stabilní stabilní β - τ 1/2 = 12,35let Teplota tání [ K ] 13,957 18,73 20,62 Teplota varu [ K ] 20,39 23,67 25,04 Teplota tání [ kj.mol -1 ] 0,117 0,197 0,250 Výparné teplo [kj.mol -1 ] 0,904 1,226 1,393 Kritická teplota [ K ] 33,19 38,35 40,6 ( vypoteno ) Kritický tlak [ MPa ] 1,315 1,665 1,834 ( vypoteno ) Mezijaderná vzdálenost [ pm ] 74,14 74,14 ( 74,14 ) Pozn. * - atomé vlastnosti Výroba deuteria Získává se z tžké vody D 2 O elektrolytickým obohacováním normální vody. Obohacování se vyjaduje separaním faktorem mezi plynnou a kapalnou fází ( rovnice 6 ): ( H ) ( H ) s = /6/ D g D l Rovnovážná konstanta výmnné reakce ( rovnice 7 ): H 2 O + HD HDO + H 2 /7/ Hodnota s má za normální teploty hodnotu 3.Hodnota s se dá upravit vhodnou volbou elektrod. Nejúinnjší je zlatá. Nebo velký poet cel v kaskád, spalováním vyvinuté smsi H 2 /D 2 a doplováním elektrolytu v prvních celách kaskády. Takto lze získat až 99 % deuterium. Obsah D 2 v plynném vodíku lze zjistit hmotnostní spektrometrií, nebo pomocí tepelné vodivosti s plynovou chromatografií. V kapalném stavu se mže použít mení hustoty, zmnou indexu lomu nebo infraervenou spektroskopií.