Príroda v tomto smere predbehla ľudstvo o niekoľko miliárd rokov, aj keď činnosť prírodných reaktorov bola objavená paralelne s vývojom tejto technológie. Naposledy sme sa zaoberali jadrovými reaktormi pracujúcimi na báze štiepenia ťažkých jadier. Ako už bolo spomenuté, energiu uloženú v jadrách atómov je možné získať aj spájaním ľahkých jadier, tzv. syntézou. Skôr ako si však ukážeme, kde v prírode môžeme nájsť takéto reaktory a ako pracujú, rád by som sa zastavil pri jednom pojme, ktorý som v predchádzajúcom príspevku použil a blízko súvisí s prevádzkou jadrových reaktorov, t.j. kontrolovaná štiepna reakcia.
Jednoduchý princíp štiepenia
Aj keď som sa štiepením zaoberal v predošlom príspevku, princípy kontrolovanej štiepnej reakcie sa uplatňujú aj pri syntéze jadier. Štiepenie v jednoduchosti funguje spôsobom, že jadro ťažkého prvku, uránu, pohltí neutrón. Tento neutrón v jadre spôsobí jeho rozpad na aspoň dva nové prvky, dva až tri voľné neutróny a žiarenie. Uvoľnenú energiu si odnášajú jednotlivé produkty štiepenia vo forme pohybu. Voľné neutróny môžu byť následne pohltené inými jadrami ťažkých prvkov, ktoré rozštiepia a uvoľnia ďalšie voľné neutróny.
Pokiaľ do tohto procesu nezasiahne nejaký mechanizmus, rozvinie sa reťazová reakcia, akú je možné pozorovať pri výbuchu jadrovej bomby. Systém kontroly štiepnej reakcie je založený na jednoduchom princípe. Jeden neutrón môže rozštiepiť len jedno jadro, a preto nám stačí udržovať konštantný počet neutrónov v obehu pre požadovaný výkon. Keďže pri každom štiepení sa uvoľňuje väčší počet neutrónov ako vyvolalo štiepenie, mechanizmy kontroly štiepnej reakcie sa práve zameriavajú na odoberanie týchto prebytočných neutrónov. Laicky môžeme teda povedať, že kontrolovaná štiepna reakcia je založená na udržovaní balansu medzi počtom štiepení a dostupnosťou štiepnych jadier.
Najznámejšiemu jadrovému reaktoru v prírode vďačíme za život
Vráťme sa teraz k téme prírodných jadrových reaktorov. Hoci najbližší prírodný jadrový reaktor pracujúci na báze syntézy ľahkých jadier je od našej planéty vzdialený takmer 150 miliónov kilometrov, vďačíme mu za vznik života na Zemi. Určite ste si povšimli, že je reč o Slnku. Naše Slnko však nie je jedinečné, pretože všetky hviezdy vo vesmíre sú veľké jadrové reaktory.
Hviezdy o veľkosti Slnka a menšie využívajú ako jadrové palivo vodík, tie väčšie už kombináciu vodíka, kyslíka, dusíka a uhlíka. Na to, aby mohla nastať syntéza, je potrebná vysoká teplota a tlak, kde teplota jadra Slnka dosahuje 14 miliónov stupňov a tlak 150 miliárd atmosfér. Fúzna reakcia, ako sa ešte syntéza jadier označuje, poháňajúca Slnko pracuje na princípe spájania jadier vodíka tvorenými jedným protónom za vzniku hélia. Pri tomto type reakcie je väčšina uvoľnenej energie odnášaná vo forme žiarenia. Napriek podmienkam, aké vo vnútri Slnka panujú, ide o veľmi pomalú fúznu reakciu. Uvoľňovaná energia je len 276 mikro-wattov na centimeter kubický, čo je približne štvrtina produkcie tepla ľudského tela. Pre využitie syntézy ľahkých jadier na produkciu energie v praxi je preto potrebné využívať syntézu jadier vodíka obsahujúce jeden a dva neutróny, ktoré sa nazývajú deutérium a trícium.
Fúzne reaktory, hudba budúcnosti
Deutérium sa v prírode nachádza v malých množstvách vo vode. Trícia je ešte menej pretože sa časom rozpadá a vzniká len interakciou kozmického žiarenia s atmosférou alebo v dôsledku ľudskej činnosti. Trícium je však možné vyrobiť aj z lítia, ktorého je na Zemi dosť. Technológia fúznych reaktorov je ešte stále vo vývoji.
V súčasnosti sa prevádzkujú len malé experimentálne zariadenia a s komerčným nasadením sa v najbližšej budúcnosti zatiaľ neuvažuje. Podrobnejšie by som sa chcel tejto technológií venovať v nasledujúcich príspevkoch zaoberajúcimi sa perspektívnymi jadrovými systémami, preto tento krát nebudem zachádzať do detajlov.
Spomeniem len dve najznámejšie zariadenia, ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) a NIF (National Ignition Facility). ITER je pravdepodobne známejší pojem, pretože ide o demonštračnú jednotku, ktorá je aktuálne vo výstavbe v Európe a bude využívať toroidálne supravodivé magnety na kontrolu plazmy. Zariadenie NIF je už prevádzkované v USA a využíva odlišné princípy riadenia a vzniku plazmy. Palivo je vo forme kapsúl, ktoré sú bombardované vysokovýkonným laserom, čím dosahujú potrebné parametre pre syntézu jadier.
Na záver by som už len dodal, že pokiaľ by sme chceli hľadať ďalšie prírodné jadrové reaktory, netreba ísť zase až tak ďaleko. Stačí sa len pozrieť pod zemský povrch, kde sa pravdepodobne ukrýva štiepny jadrový reaktor poháňajúci našu Zem.
Ak Vás táto téma zaujala, prípadne Vás zaujíma, ako a kde jadrové reaktory pracujú, tak viac informácií môžete nájsť aj tu:
