phpRS

Dnešní datum: 28. 10. 2020   | Hlavní stránka | Seznam rubrik | Download | Weblinks |    

  Hlavní menu
  • Hlavní stránka
  • Seznam rubrik
  • Download
  • Weblinks
  • Ankety
  • TOP 15
  • Personalizace
  • Roz?ířené vyhledávání

  •   Vyhledávání

    Hledej
    v nanotechnologiích!



      Informace
    NanoTech
    svět lidí z molekul
    Copyright
    Michal Václavík, 2004

    Nanokrystaly a termonukleární reakce
    Vydáno dne 27. 04. 2004 (6054 přečtení)

    ~ 1700 slov
    Umo?ní nanokrystaly z urychlovače technicky vyu?itelnou řízenou termonukleární reakci pro elektrárny budoucnosti? To zatím nikdo neví, ale jistě se jedná o dal?í zajímavý nápad, jak docílit podmínek pro řízené spojování jader.

    Poka?dé, kdy? přijde řeč na termonukleární reakce a já řeknu, ?e si je klidně mů?e ka?dý doma provést, vět?inou na mne hledí lidé poněkud překvapeně. Opravdu není nikterak slo?ité provést syntézu atomových jader v domácích podmínkách. V podstatě k tomu stačí vysokonapě?ový zdroj (např. z barevného monitoru počítače nebo vysokonapě?ové trafo, 25 kV, ale lep?í je 40 kV, co? pořídíte za pár ?upů v lep?ím bazáru). Pak u? potřebujete jen zdroj iontů (elektronka, movitěj?í pou?ijí klystron a chud?í se spokojí s plamenem svíčky). Dále terčík, do kterého budou urychlené částice nará?et a reagovat. Pro tento účel poslou?í například sklenice vody. Voda je velice vděčný materiál, proto?e obsahuje velké mno?ství atomů vodíku a sem tam se najde dokonce i deuteron (te?ký vodík). Termonukleární reakce s nejni??í zápalnou teplotou je deuterium-tritium (tě?ký vodík s je?tě tě??ím vodíkem :-). Tritium se v přírodě nevyskytuje (poločas rozpadu pouhých cca 13 let) a vyrábět ho například z lithia není ?ádná legrace (např. se tak děje při explozi termonukleární bomby) a i kdyby se vám to podařilo, tak bacha je jedovaté. My by jsme v?ak rádi něco méně destruktivního. Pou?ijme proton-protonovou reakci, tj. normální lehký vodík, kterého je v?ude kolem nás a i v nás dostatek.

    Vezmeme tedy plamen svíčky a ten umístíme mezi vodivé desky, které nabijeme na napětí 40 kV. K záporně nabité desce postavíme sklenici vody. Ve svíčce proudí ka?dou vteřinu mnoho triliard různých iontů. Sem tam některý z nich bude H+, tj. proton. Proton bude přitahován elektrostatickým polem k záporně nabité desce a urychlován v jejím poli. V cestě bude v?ak stát sklenice vody, a tak některé z protonů narazí na molekuly vody. Velká vět?ina protonů se rozptýlí ani? by se cokoliv přihodilo. Nepatrný zlomek protonů v?ak bude reagovat s protony vodíku, který je součástí molekul vody. Reakcí bude vznikat deuterium, pozitron a elektronové neutrino. Pozitron bude anihilovat s elektronem a vznikne gama záření. Takovouto celou plejádu jaderných reakcí je mo?né spustit s malým podomácku postaveným vysokonapě?ovým trafem. Proč?

    Inu, 40 tisíc voltů je napětí, které udělí protonu energii 40 keV, co? je cca 6 fJ (6*10^-15 Joule), při této energii má proton rychlost 2800 km/s, tj. setina rychlosti světla. Zajímavěj?í je převést tuto energii na teplotu. Takováto energie odpovídá řádově 500 miliónům stupňů Celsia, co? vám při tlaku jedné atmosféry, která je v?ude kolem nás, postačí na termonukleární reakci.

    Upozorňuji, ?e takto provedená reakce je velmi málo vydatná a vodu ve sklenici skutečně neohřejete ani kdy? budete mít velmi silný zdroj iontů, např. ?lehnete elektrickým obloukem do proudícího vodíku z lahve (dejte si majzla, a? se vám to nestihne smíchat s kyslíkem ;-) jinak plamenomet hadr).

    Po osvětlení, ?e udělat si doma termonukleární reakci není ?ádná sci-fi, slýchávám reakce. "Tak to mi teda vysvětli, proč nemá ka?dej na chalupě termonukleární reaktor, kdy? je to tak jednoduchý... ." Celý vtip je v jednom slově: účinnost. Popsaný postup vede na termonukleární reakci, ale výtě?nost reakce je tak chabá, ?e i kdyby v?echny ostatní prvky takto zalo?eného reaktoru pracovaly s účinností 99%, nebyla by na základě uvedeného postavená elektrárna rentabilní.

    Pokud pou?ijete dostatečně velký terčík, místo sklenice s vodou, sud a nebo rad?i bazén, pak se sice téměř v?echny protony pohltí v bazénu, ale přesto jen zlomek jich zreaguje. U vět?iny se jejich původní rychlost přemění na zlomek tepla v bazénu.

    Pro lenochy jako jsem já tady mám jednu radu. Nemusíte chodit pro sklenici s vodou, aby jste ji pou?ili jako terčík. Stačí do svazku protonů strčit ruku. V ruce je spousta vody a navrch se budete moci pochlubit, ?e vám v ruce probíhala termonukleární reakce. A je?tě vět?í leno?i se nebudou shánět ani po vysokonapě?ovém trafu a ani po ionizátoru. Stačí si lehnout na palouk, otevřít lahváč a čekat ne? přiletí z kosmu spr?ka tvrdého záření. Občas se tak stane, ?e nám do těla udeří částice s dostatečně vysokou energií k syntéze s atomovými jádry na?eho těla. Nestává se tak často jako při uměle vyvolané reakci, a proto je dobré se před experimentem dostatečně zásobit pivem.

    Zamysleme se, jak by bylo mo?né zvý?it účinnost popsané reakce. Jak jsme si ji? řekli, hlavní problém spočívá v tom, ?e vět?ina energie letících protonů se rozptýlí v terčíku. Co to znamená? Představme si letící proton. Ten přilétá do oblasti terčíku, např. sklenice vody. Prolétá mezi molekulami vody, ale ne dlouho a nará?í na atom kyslíku. Odrá?í se, ale část energie zůstala kyslíku, tj. proton ztrácí rychlost. Nará?í na vodík a odrá?í se a pink dal?í náraz do vodíku a dal?í a teď príma trefa, ?e by to zreagovalo.. no jo, ale ten proton u? nemá dostatečnou rychlost, tj. teplotu. A letí dal?í proton a pink odrá?í se od atomu vodíku a pak od kyslíku a od sodíku, jo to je z kousku soli (?patně omytá sklenice, zatracená myčka). A dal?í proton letí a pink téměř pru?ně se odrazil od vodíku a od dal?ího vodíku, ten ionizoval a pak pink a pink dal?í odrazy a stále ?ádná reakce. A dal?í proton v?uuum, ten je skutečně pěkně urychlený. Patnáct set ionizovaných molekul. To je pěkný výkon, ale ?ádná termonukleární reakce. A takto to jde pro mnoho a mnoho miliard protonů a pak jeden bum a je tady deuteron a pozitron a neutrino. To se moc často nestává, aby to takhle pěkně zreagovalo.

    Jak zajistit, aby to reagovalo častěji. Jak zajistit, aby více letících protonů zreagovalo? Základním kamenem je odstranit rychlou disipaci energie do okolí. Herf, abych to řekl srozumitelně. Je třeba, aby ty urychlené protony neztrácely tak rychle rychlost. Aby se při ka?dém nárazu nezpomalovali stále více a více. No jo, to by ale ten terčík musel být zahřátý na těch 500 miliónů stupňů, aby se tohle dalo zařídit. A o to se právě borci v termojaderných reaktorech sna?í. Ono udr?et materiál při takovéto teplotě není ?ádná legrace a tím pádem z toho přestává být mo?nost topení na chatu. Něco takového v domácích podmínkách nikdo nepostaví. A ne?lo by to přeci jenom nějak udělat, aby mohla zůstat teplota terčíku, tj. sklenice vody třeba na 20 stupních Celsia a reakcí se ohřívala řekněme na 99 C ?

    A co kdybychom neposlali do bazénu s vodou protona urychleného na rychlost 2800 km/s, ale sněhovou kouli? Co by se pak stalo? Také by se pohybová energie koule rozpustila v bazénu ani? by částice koule významně reagovali s vodou bazénu?

    Vzhledem k tomu, ?e sněhová koule má rozměry mnohem vět?í ne? je střední vzdálenost mezi srá?kami molekul vody v bazénu, bude rozptyl energie podstatně men?í ne? u protonu, u kterého je tomu právě naopak. Rozměry, tj. účinný průřez protonu při 2800 km/s, jsou podstatně men?í ne? střední vzdálenost mezi kolizemi ve vodě za normálních podmínek (teplota 20 C, tlak 1 atmosféra). Co se tedy bude dít?

    Sněhová koule letí obrovskou rychlostí, která je v celé sluneční soustavě nevídaná. Plných 2800 km/s a blí?í se k na?emu bazénu. Koule právě nará?í na hladinu vody v bazénu. V?echny částice sněhové koule se pohybují kupředu rychlostí 2800 km/s. Sněhová koule má teplotu nula stupňů Celsia a voda v bazénu 20 C. Tlak je 1 atmosféra. Částice na okraji koule nará?ejí na téměř nehybné částice vody v bazénu a vět?inou dochází k odrazům bez jaderné reakce. Částice bazénu tak získávají na rychlosti, tj. extrémně se zahřívají. Částice sněhové koule přeměňují svoji pohybovou energii na tepelnou, ale zprvu se chladí o částice bazénu. Střední vzdálenost mezi kolizemi je v?ak mnohem men?í ne? velikost sněhové koule, a tak srá?kami urychlené částice nestíhají unést získanou energii daleko. Navíc se na jejich místo tlačí dal?í částice sněhové koule, proto?e ona se pohybuje kupředu rychlostí 2800 km/s. Tímto způsobem se velice rychle vytvoří na styčné hraně koule velmi horká zóna, ve které bude obrovská teplota a částice budou do sebe znovu a znovu mnohokrát nará?et obrovskými rychlostmi, a tak dojde celkově k vět?ímu mno?ství termonukleárních reakcí, co? počne je?tě více zvy?ovat teplotu a tlak rozhraní. Účinnost reakce tak markantně vzroste.

    Na první pohled se zdá, ?e jsme vyře?ili energetický problém lidstva. Není v?ak třeba jásat. Uklidněme se a otevřeme si dal?ího lahváče. Nic není tak horké, jako na?e sněhová koule... Vý?e popsaná reakce se sněhovou koulí je velice pěkná. Podařilo se nám zvý?it výtě?nost termonukleární reakce. A při dostatečně vysokých rychlostech sněhové koule na tom budeme energeticky vydělávat, tj. dalo by se na tom postavit fungování elektrárny.

    Z obecného úhlu pohledu jsme v?ak problém spí?e pouze transformovali na jiný druh problému. Ono urychlit sněhovou kouli na tři tisíce kilometrů za vteřinu není také ?ádná legrace. To je pak ji? otázka, zda není jednodu?í ohřát tu vodu v té sklenici na oněch půl miliardy stupňů. Babo raď, co je lep?í.

    Chtělo by to nějakou zlatou střední cestu. Urychlit proton na rychlost tři tisíce kilometrů za sekundu nám nečinilo problém ani v domácích podmínkách s vybavením z gará?e. Takto urychlit sněhovou kouli je pro nás neře?itelný problém a nepomohou nám s tím ani ti největ?í borci.

    Na jedné straně doká?eme protony v urychlovačích urychlovat a? téměř na rychlost světla. Na straně druhé doká?eme makroobjekty (jakým je i sněhová koule) urychlovat v tzv. kinetických urychlovačích a? na rychlosti několik desítek kilometrů za sekundu. Částicové urychlovače nám tedy dávají mo?nost podstatně vy??ích rychlostí ne? by bylo minimálně zapotřebí (více jak stokrát vy??í), ale na druhou stranu urychlují jen částice, co? je pro výtě?nost reakce málo (příli? málo urychlené hmoty). Na druhé straně kinetické urychlovače urychlují dostatečně velké mno?ství hmoty najednou (zbytečně mnoho - řádově jednotky a? desítky gramů), ale rychlost není dostatečná (více jak stokrát ni??í).

    Očividně zde chybí technologie na urychlování "mezi tím". Technologie, která by urychlovala o několik řádů men?í hmoty ne? kinetické urychlovače a o několik řádů vět?í hmoty ne? částicové urychlovače. Nazvěme tuto technologii urychlováním nanokrystalů. Myslím, ?e je v řádu současných mo?ností a schopností zkonstruovat nanokrystalový urychlovač, který by urychloval nanokrystaly o rozměrech 100 a? 500 nanometrů na rychlost tři tisíce kilometrů za sekundu. Uvedený rozměr krystalů by byl je?tě postačující pro dobrou výtě?nost termonukleární reakce. Úvahy nad touto problematikou naznačují, ?e by ře?ení prostřednictvím nanokrystalového urychlovače mohlo být technicky schůdněj?í ne? se sna?it udr?et v magnetickém poli mnoho miliónů stupňů horkou plazmu. Pro urychlování 100 nm krystalů by se mělo vystačit s elektrostatickým principem urychlování. S uvědoměním si těchto skutečností se otevírá dal?í mo?nost, jak technicky realizovat termonukleární fůzi. Jen čas uká?e, zda je tato cesta opravdu schůdněj?í ne? cesty ostatní.



    ( Celý článek! | Autor: Michal Václavík | Počet komentářů: 508 | Přidat komentář | Informační e-mailVytisknout článek )

      Anketa
    Samoreplikující se stroj bude vyroben

    do 10-ti let 
     (1855 hl.)
    do 20-ti let 
     (1462 hl.)
    do 50-ti let 
     (1429 hl.)
    nikdy 
     (1804 hl.)

    Celkem hlasovalo: 6550


      Kalendář
    <<  Říjen  >>
    PoÚtStČtSoNe
       1234
    567891011
    12131415161718
    19202122232425
    262728293031 

    Reklama serveru www.wz.cz. Děkuji za poskytnutí prostoru pro nanotechnologie.

    Web site powered by phpRS PHP Scripting Language MySQL Apache Web Server

    Tento web site byl vytvořen prostřednictvím phpRS - redakčního systému napsaného v PHP jazyce.
    Na této stránce použité názvy programových produktů, firem apod. mohou být ochrannými známkami
    nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.