p11B – reakce snů

Je rok 1934. Pánům P. Harteckovi  a M. L. E. Oliphanovi pod vedením Krokodýla se podařila fúze dvou jader deuteria za vzniku tritia a ³He. Nobelista Ernest Rutherford, přezdívaný studenty Krokodýl podle úpornosti, s jakou kráčel za svým cílem, poznamenal k epochálnímu výsledku, že ten, kdo bude chtít energii uvolněnou jadernou reakcí použít průmyslově, je snílek! Ernest Rutherford získal sice Nobelovu cenu (za chemii), ale objev štěpení jader těžkých atomů, nebo termojadernou reakci ještě neznal. Sloučení deuteronů vyžadovalo urychlit jádra deuteria v urychlovači a takto získaným svazkem namířit na terčík z deuteria. Ionizovat a pak se strefit urychleným jádrem deuteria do jádra deuteria v terčíku nebylo vůbec jednoduché a uvolněná energie byla zlomkem energie potřebné k pokrytí celého procesu. Až teprve horké plazma se ukázalo schůdnou cestou k fúzi, a to ještě jen k fúzi tritia a deuteria, která potřebuje mnohem méně energie než fúze dvou jader deuteria. Tato reakce není vyřešena ani po 90 letech od památného roku 1934. Takže Rutherford měl do jisté míry pravdu.

Tři kategorie fúzních paliv 

Fúzní paliva lze rozdělit do tří kategorií podle rostoucí zápalné teploty. Nejnižší má již zmíněná reakce deuteria s tritiem. S touto směsí se také počítá pro první fúzní elektrárny, směs bude použita i v tokamaku ITER a byla použita v tokamacích JET, resp. TFTR.

Druhá kategorie fúzních paliv se zbavila tritia. Tritium je radioaktivní (i když slabě a poločas rozpadu má 12,3 roku) a nelze ho těžit na zemi, musí se vyrábět. ITER si ho bude vyrábět. Tedy spíše se výroba bude testovat v reakcích, kdy lithium bude ostřelované produkty DT fúze, tj. neutrony. Bude v různých formách a k chlazení budou použity různé látky. 

⁶Li + n = T + ⁴He              4,8 MeV 

Druhou kategorii fúzních paliv reprezentuje reakce deuteria s deuteriem, a to hned dvěma možnými způsoby, z nichž ani jeden nepotřebuje tritium: 

D + D = ³He + p + 3,3 MeV 

D + D = T + p+ 4,0 MeV 

Obě zmíněné reakce mají stejný účinný průřez a nepotřebují tritium, ale parazitní reakce deuteria s tritiem plodí neutrony. 

Do třetí kategorie patří exotická p11B, tedy reakce protonu a jádra izotopu bóru ¹¹B. Exotická proto, že zápalná teplota je o řád výše než u dnes vyzkoušené DT reakce. Nicméně soukromé firmy o ní uvažují, protože p11B nejen, že nepotřebuje tritium, ale neprodukuje neutrony, což je veliké plus. Neutrony, částice bez náboje, nelze zadržet magnetickým polem. Jsouce bez elektrického náboje, pronikají snadno do atomové struktury konstrukčních materiálů, a když uvážíme jejich značnou energii, máme se čeho obávat. Neutrony pronikají hluboko do materiálu a mění jeho vlastnosti. Není to k lepšímu - konstrukční materiály křehnou a aktivují se. Takže p11B má dvě velká plus a jedno velké mínus. Jak se zbavit problému reakce p11B? Řešení na obzoru není, nicméně reakce p11B stranou nezůstává. 

TAE a NIFS zkoušejí podobný nápad, jaký měl kontroverzní Ronald Richter 

Dosud jsem proklamaci TAE Energy či LPPF o použití reakce p11B považoval za hříšnou fantazii, ale nedávno se objevila zpráva, že americká TAE Technology se spojila s japonským Národním ústavem pro fúzní vědu (National Institute for Fusion Science, NIFS) a vyzkoušela pokročilou modifikaci Cambridgeského experimentu z roku 1934. Ovšem místo aby bombardovali jádry deuteria pevný deuteriový terčík, použili jako střely protony, jádra běžného vodíku, a místo pevnolátkového terčíku deuteria použili plazma stelarátoru LHD s příměsí bóru. K fúzi protonu a jádra ¹¹B skutečně došlo, i když o termojaderné reakci p11B nelze hovořit. Protonové svazky byly tři a boronizace plazmatu proběhla vstřikem submilimetrových šupinek boru (hustota bórových iontů v plazmatu byla až 6×10¹⁷ m^-3). Potvrdil se vznik ⁴He (částice alfa) v závislosti na množství vstřikovaného boru a NBI protonů (Neutral Beam Injection – vstřikování neutrálních atomů do plazmatu). K protonům se nejprve připojí elektron, jako neutrální částice se vstříkne do plazmatu, kde se opět ionizuje na volný proton a volný elektron. Vyzkoušela se detekce jader ⁴He a současně odfiltrování rtg záření. Pro detekci alfa částic se používaly planární křemíkové polovodičové detektory PIPS (Passivated Implanted Planar Silicon), které vyvinulo TAE Technology. 

p + ¹¹B = 3 ⁴He + 8,7 MeV 

Fúzních reakcí p11B prý bylo 10¹⁴ za sekundu. 

Třetí kategorii fúzního paliva reprezentuje i vzácný izotop helia ³He.Toho je prý dost na Měsíci, ale to je stejné, jako když řekneme, že ³He je zatím pro nás na Zemi prakticky nedostupné.

Máme na mysli reakci:

D+³He = ⁴He + p + 18,3 MeV 

Ovšem 18,3 MeV je určitě lákavější než 8,7 MeV z reakce p11B. Budeme tedy doufat, že ³He z Měsíce třeba jednou dostupné bude. 

Při popisovaných experimentálních výstřelech mělo toroidální magnetické pole intenzitu 2,75 T. Elektronová teplota plazmatu byla zhruba 2 keV (cca 23 milionů kelvinů). Samotný výstřel trval okolo 4 s. Experimentátoři samozřejmě nejdříve vyzkoušeli výstřel bez boronizace a bez NBI protonů, pak jen bez jedné z těchto složek, ale jádra helia zaznamenali jen v nepatrném množství. Při současné boronizaci a NBI protonů vzrostla četnost alfa částic 100×.

Je zajímavé, že ani zahraniční, ani české informace o pokusu nemluví o typu plazmatu, tedy z jakého prvku je plazma vytvořeno. Pouze se hovoří o magneticky udržovaném plazmatu – také jaké jiné udržování by ve stelarátoru asi bylo, že? – a bór se do tohoto tajemného plazmatu přisypává (zřejmě jde o vodíkové plazma). Takhle to dělal záhadný, a přitom slavný Ronald Richter v Huemulu, jen místo šupinek boru stříkal do výboje elektrického oblouku kapičky lithia (o jeho pokusech jsme psali zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1771-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-ctvrta. 

Jsou potřeba peníze pro výzkum – jako vždy 

Velmi povzbudivým faktem je v tomto případě spolupráce soukromníka a státu. V USA je podporována programem INFUSION. V Česku, ač je zde výzkum vysokoteplotního plazmatu pokročilý, je silně podceňována (otázkou je, která soukromá firma by chtěla výzkum financovat). 

Dlužno si uvědomit, že společné pokusy americké TAE Technology a japonské NIFS k použití třetí kategorie fúzních paliv přímo nepřispějí. Spíše zbaví vědce studu se těmito palivy zabývat. Výsledky s detekcí ⁴He určitě nejsou k zahození. Bylo by také zajímavé vědět, proč TAE Technology spolupracuje se stelarátorem, a ne s tokamakem. Možná, že tokamakové laboratoře nedůvěřují podivné symbióze nebo na ně v době finále přípravy tokamaku ITER nemají jednoduše čas.

Co to je? Stelarátor LBD (Large Bar Device)? (Foto M. Řípa)

Co vás nemá! Ozdoba sídliště Barrandov v Praze! (Foto M. Řípa)