Jadrovou energiou ku hviezdam

  • Marcel Škreka | 10 November 2011
    Kozmonautika
Pohon pomocou jadrovej fúzie by nás mohol dostať k najbližším hviezdam v časovom horizonte 100 rokov. Obrázok: NASA
Ak chceme, aby kozmická loď dorazila k iným hviezdam v čase zodpovedajúcom trvaniu ľudského života, je potrebné vyvinúť nové druhy pohonu. Najlepším kandidátom sa zdá byť jadrová syntéza, ktorá však zatiaľ nebola použitá ani na komerčné účely.

Rozštiepenie atómového jadra v 30. rokoch minulého storočia vydláždilo cestu k dnes používaným štiepnym reaktorom, no jadrová syntéza je opačný a omnoho čistejší proces. Pri syntéze je potrebné prekonať odpudivú silu pôsobiacu medzi dvoma kladne nabitými atómovými jadrami. Prelomenie tejto bariéry si vyžaduje obrovské teploty a tlaky. V jadre Slnka, kde prebieha zlučovanie jadier vodíka na hélium, presahuje teplota 15 miliónov K (°C). Fúzne reaktory na Zemi sa k takýmto podmienkam už priblížili, no treba povedať, že to vôbec nebolo jednoduché.

V Oxforde vedci pracujú na najväčšom fúznom reaktore Joint European Torus (JET), kde intenzita magnetického poľa dosahuje 1 Tesla (je to 20 000 krát viac ako mag. pole Zeme). Magnetické pole udržiava horúcu plazmu zloženú z jadier deutéria a trícia, ktorá je elektrickým poľom ohrievaná na teploty miliónov K. Takýto systém sa nazýva magneticky odtienený reaktor - Magnetic Confinement Reactor (MRC). Odtienenie je nutné, aby horúca plazma nepoškodila steny reaktora.

Hlavnou úlohou výskumu jadrovej fúzie je získať z nej viac energie, ako je potrebné do nej vložiť. Najlepší výsledok z reaktoru JET bol zisk 16 MW (megawatt) počas 2 sekúnd oproti vloženým 25 MW (JET spotrebúva toľko elektriny, že pred zapnutím potrebuje povolenie od národnej rozvodnej siete). Šancu v budúcnosti tento pomer otočiť má ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ktorého vybudovanie sa plánuje blízko Marseille vo Francúzsku. Bude to prvý priemyselný reaktor s výkonom 500MW a čistým ziskom 10MW.

Machinecutaway.jpg

Rez ITERom. Obrázok: ITER

Ak pôjde všetko bez problémov, bude to prvý dôkaz, že fúzne reaktory sú komerčne využiteľné. Ich skutočné zapojenie do elektrickej siete môžme očakávať v polovici tohto storočia. Pretože paliva do fúznych reaktorov je všade dostatok (nachádza sa v morskej vode a zemskej kôre), keď sa podarí reakciu stabilizovať, bude to zdroj energie na mnoho tisícročí.

Pri stavbe medzihviezdnej lode s týmto pohonom sa objavuje ďalší problém vážiaci 7000 ton. To je totiž odhadovaná hmotnosť takejto lode. Ak uvážime, že ISS (Medzinárodná vesmírna stanica) má hmotnosť 417 ton, zdá sa byť tento problém neprekonateľný. Existuje však jedna alternatíva, s ktorou sa stretávame v bežnom živote...

Laser

Lasery oslávili minulý rok pol storočie od svojho vynájdenia Theodorom Mainmanom, ktorý v roku 1960 vyvinul prvý rubínový laser. Odvtedy prešli dlhou cestou vývoja. Stretávame ich v každodennom živote v CD prehrávačoch, skenovacích zariadeniach v obchodoch, ... Laser v laboratóriách Lawrenca Livermora v Kalifornii však prekonáva všetky ostatné: vysiela nanosekundové pulzy s výkonom až 1 miliardy MW. Pulzy na tento krátky čas vytvárajú teploty a tlaky potrebné pre nukleárnu fúziu v malých guľôčkach obsahujúcich deutériovo-tríciové palivo. Pulz najprv premení vrchnú vrstvu guľôčky na plazmu, ktorá absorbuje zvyšok energie laseru a voľné elektróny v plazme prenesú túto energiu na guľôčku a spôsobia jej stlačenie pod tlakom 10 000 atmosfér. Guľôčka imploduje a v jej vnútri vzniknú podmienky na zapálenie jadrovej fúzie. Na udržanie kontinuálnej reakcie je potrebný rýchly sled guľôčok, čo povedie k sérii za sebou idúcich jadrových výbuchov.

nif-0806-12609_red.jpg

Technici vnútri komory reaktora. Peru podobné zariadenie pridržiava guľôčku s palivom. Obrázok: Lawrence Livermore National Laboratory

Výhoda laserom poháňanej fúzie, zvanej aj inerciálne odtienená fúzia - Inertial Confinement Fusion (ICF) je v potrebe malého priestoru. Nepotrebuje veľký a hmotný MCR. Odhady hmotnosti medzihviezdnej lode poháňanej ICF spolu s palivom sa pohybujú pod hranicou 500 ton.

Vo svete techniky prebieha neustála miniaturizácia. Pri svojich začiatkoch mali počítače rozmery izby, no dnes sa rovnako výkonný počítač zmestí do náramkových hodiniek. Je možné, že rovnaký pokrok sa udeje aj s reaktormi.

Bude určite jednoduchšie miniaturizovať ICF ako MCR. Dostať rovnakú energiu z MCR bude pravdepodobne vyžadovať aktívnu kontrolu nestabilít v plazme, čo sa už čiastočne podarilo a zníženie počtu miniatúrnych turbulencií, ktoré spôsobujú stratu tepla. Budú ale potrebné materiály, ktoré odolajú vysokoenergetickým neutrónom opúšťajúcim plazmu. Dokonca aj potom bude MCR s pridruženými zariadeniami relatívne veľký.

Ako rýchlo dokáže letieť?

Vyzerá to tak, že ICF nakoniec vyhrá preteky o najlepší medzihviezdny pohon. Za predpokladu, že sa táto technológia ukáže byť tou správnou, ako dokáže urýchliť našu medzihviezdnu loď?

Celkovým ťahom motora desaťtisíc až stotisíc Newtonov trvajúcim stovky miliónov sekúnd by sa mohla dosiahnuť rýchlosť niekoľkých desiatok tisíc km/s. Je to obrovská rýchlosť, no aj k najbližšej hviezde Proxime Centaury vzdialenej 4,2 ly, by cesta trvala desaťročia.

Iným faktorom pri ICF je rýchlosť s akou sú guľôčky pridávané do reaktora. Pri počte napr. 250 za sekundu by sa zvýšilo množstvo paliva až na 30 miliárd guľôčok. Tým by vzrástla hmotnosť lode a vznikli by ďalšie problémy. Rýchlym sledom reakcií vzrastá teplota reaktora a počet rádioaktívnych neutrónov, a je preto potrebné vybaviť loď väčšími štítmi a hmotnosť lode sa tak opäť zvýši. Pri ďalšej generácii komerčných reaktorov sa uvažuje s 10 až 50 reakciami za sekundu.

Dnešné reaktory používajú ako palivo zmes deutéria a trícia. Fúzia trícia produkuje veľké množstvo neutrónov, kvôli ktorým je reaktor rádioaktívny (na rozdiel od dnešných atómových elektrární, nevzniká odpad, a v prípade poruchy sa jednoducho vypne skôr ako dôjde k roztaveniu reaktora). Pretože sú neutróny elektricky neutrálne, nemôžu byť usmernené magnetickým poľom a prispieť tak svojou hybnosťou k zvýšeniu rýchlosti lode. Alternatívou je reakcia medzi deutériom a ľahkým héliom, ktorá produkuje viac energie a menej neutrónov. Je zdrojom protónov, ktoré sa magnetickým poľom usmerniť dajú. Nanešťastie ľahké hélium sa na Zemi takmer nevyskytuje. Nájdeme ho v atmosférach obrích planét a na povrchu Mesiaca, kde bolo prinesené slnečným vetrom.

Všetko to vyzerá nádejne, no pred tým ako bude jadrová fúzia slúžiť na pohon medzihviezdnej lode, bude treba prekonať mnoho technických problémov a vynaložiť mnoho úsilia.

V súčasnej ekonomickej situácii sa do výskumu investuje celkovo málo financií. Kedy bol v tomto smere prijatý podobný projekt ako Apollo, bol by vývoj reaktora otázkou blízkej budúcnosti a nie desaťročí.