Jadrová syntéza

Jadrová syntéza alebo jadrová fúzia je reakcia, v ktorej sú dve alebo viac atómových jadier kombinované za vzniku jedného alebo viacerých rôznych atómových jadier a subatomárnych častíc (neutrónov alebo protónov). Rozdiel v hmotnosti medzi reaktantmi a produktmi sa prejavuje buď uvoľňovaním alebo absorpciou energie. Tento rozdiel v hmotnosti vzniká v dôsledku rozdielu v atómovej „väzbovej energie“ medzi atómami pred a po reakcii. Fúzia je proces, ktorý poháňa aktívne hviezdy, hviezdy hlavnej postupnosti alebo iné hviezdy vysokej veľkosti.

Princíp

Dve jadrá sú kladne nabité a dostať ich k sebe tak blízko, aby sa mohli zlúčiť (aby mohli účinkovať jadrové sily), je možné, len ak majú dostatočne veľkú energiu na prekonanie potenciálovej bariéry. Jednou z možností je, že im udelíme vysokú rýchlosť napríklad silným zahriatím. Teplota musí dosiahnuť niekoľko miliónov stupňov Celzia. Takúto teplotu neznesie žiaden materiál, preto musí byť „horiace“ palivo oddelené od stien zariadenia vákuom.

Látky pri týchto teplotách sú v stave plazmy, sú úplne ionizované, preto je možné na ich izoláciu použiť magnetické pole, ktoré udrží palivo v bezpečnej vzdialenosti od stien. Po naštartovaní reakcie sa palivo zahrieva aj energiou uvoľnenou z fúznej reakcie. Aby sa reakcia udržala, musí byť hustota atómov v reaktore pomerne veľká, čo sa dosahuje pomocou silného magnetického poľa.

Reakcie

Maximálny energetický prínos by mala taká reakcia, pri ktorej by sa zlúčili voľné protóny a neutróny do výsledného jadra. Pravdepodobnosť takéhoto javu je však veľmi nízka. Preto sa uvažuje len o zlučovaní 2 jadier, napríklad reakcie deutéria s tríciom či deutériom za vzniku izotopov hélia:

d(t,n)^{4}He

d(d,n)^{3}He

Syntéza medzi tríciom a deutériom

Na produkciu energie by bola použitá reakcia plynného deutéria a plynného trícia. Deutérium sa nachádza vo vode (v 500 hektolitroch vody je asi 1 kg deutéria), trícium by sa muselo vyrábať z lítia. Produktom reakcie je čisté hélium, neutrón a asi 17 MJ (4,722 kWh) energie. Táto energia je vo forme kinetickej energie rozdelená v pomere hmotností vzniknutého hélia a neutrónu.

Časť tejto energie sa použije na udržanie reakcie, väčšia časť ale bude zahrievať výmenníky a tvoriť energetický zisk. Najbližšie k tomuto cieľu sa zatiaľ principálne dostal tokamak. Ropné krízy urýchlili výskum a stavbu veľkého tokamaku JET v anglickom Culhame, je však prevádzkovaný v pulznom režime. Dokáže na jeden pulz vyrobiť až 22 MJ energie (6,11 kWh) a podarilo sa mu dosiahnuť 65% výťažnosť (pomer vyprodukovanej/vstupnej energie).

Budúcnosť tejto technológie sa dnes^[kedy?] vkladá do projektu ITER - stavby najväčšieho tokamaku na svete s nadnárodnou účasťou EÚ, Japonska, Číny, USA, Indie, Ruska a Kórei. ITER bude postavený v Cadarache vo Francúzsku.

Termojadrová fúzia v jadre Slnka

Pozri aj: Termonukleárna reakcia a Jadro Slnka

Termojadrová fúzia v Slnku prebieha v protón-protónovom cykle. Slnko je zdrojom žiarivej energie s výkonom 3,9x10²⁶ wattov už niekoľko miliárd rokov. Teplota v strede slnka je 1,5x10⁷Kelvinov. Z toho vyplýva, že kinetická teplota (stredná kinetická energia) protónov je 1 keV. Táto energia je hlboko pod energetickým prahom termonukleárnej fúzie, ktorý je približne 400 keV.^[1]

Napriek tomu termojadrová fúzia v Slnku prebieha. Túto skutočnosť možno vysvetliť dvoma efektmi. Podľa Maxwellovho rozdeľovacieho zákona existuje nezanedbateľné množstvo protónov s kinetickou energiou vyššou ako približne 400 keV. Druhým dôvodom je existencia kvantovo-mechanického tunelového efektu, ktorý dovoľuje, aby určitá časť protónov s energiou nižšou ako je prahová energia termonukleárnej reakcie prekonala potenciálové bariéry. Skutočnosť, že iba malý zlomok protónov má energiu blízku prahovej energii termonukleárnej fúzie, vysvetľuje pomalé vyžarovanie energie. V opačnom prípade by došlo v krátkej dobe (v porovnaní s dobou existencie Slnka) k fúzii všetkých protónov, Slnko by vyhaslo a život na Zemi by nebol možný.