phpRS

Dnešní datum: 24. 10. 2017   | Hlavní stránka | Seznam rubrik | Download | Weblinks |    

  Hlavní menu
  • Hlavní stránka
  • Seznam rubrik
  • Download
  • Weblinks
  • Ankety
  • TOP 15
  • Personalizace
  • Rozšířené vyhledávání

  •   Vyhledávání

    Hledej
    v nanotechnologiích!



      Informace
    NanoTech
    svět lidí z molekul
    Copyright
    Michal Václavík, 2004

    Nanokrystaly a termonukleární reakce
    Vydáno dne 27. 04. 2004 (5494 přečtení)

    ~ 1700 slov
    Umožní nanokrystaly z urychlovače technicky využitelnou řízenou termonukleární reakci pro elektrárny budoucnosti? To zatím nikdo neví, ale jistě se jedná o další zajímavý nápad, jak docílit podmínek pro řízené spojování jader.

    Pokaždé, když přijde řeč na termonukleární reakce a já řeknu, že si je klidně může každý doma provést, většinou na mne hledí lidé poněkud překvapeně. Opravdu není nikterak složité provést syntézu atomových jader v domácích podmínkách. V podstatě k tomu stačí vysokonapěťový zdroj (např. z barevného monitoru počítače nebo vysokonapěťové trafo, 25 kV, ale lepší je 40 kV, což pořídíte za pár šupů v lepším bazáru). Pak už potřebujete jen zdroj iontů (elektronka, movitější použijí klystron a chudší se spokojí s plamenem svíčky). Dále terčík, do kterého budou urychlené částice narážet a reagovat. Pro tento účel poslouží například sklenice vody. Voda je velice vděčný materiál, protože obsahuje velké množství atomů vodíku a sem tam se najde dokonce i deuteron (težký vodík). Termonukleární reakce s nejnižší zápalnou teplotou je deuterium-tritium (těžký vodík s ještě těžším vodíkem :-). Tritium se v přírodě nevyskytuje (poločas rozpadu pouhých cca 13 let) a vyrábět ho například z lithia není žádná legrace (např. se tak děje při explozi termonukleární bomby) a i kdyby se vám to podařilo, tak bacha je jedovaté. My by jsme však rádi něco méně destruktivního. Použijme proton-protonovou reakci, tj. normální lehký vodík, kterého je všude 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 každou 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 však stát sklenice vody, a tak některé z protonů narazí na molekuly vody. Velká většina protonů se rozptýlí aniž by se cokoliv přihodilo. Nepatrný zlomek protonů však 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 možné spustit s malým podomácku postaveným vysokonapěťovým trafem. Proč?

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

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

    Po osvětlení, že udělat si doma termonukleární reakci není žádná sci-fi, slýchávám reakce. "Tak to mi teda vysvětli, proč nemá každej na chalupě termonukleární reaktor, když je to tak jednoduchý... ." Celý vtip je v jednom slově: účinnost. Popsaný postup vede na termonukleární reakci, ale výtěžnost reakce je tak chabá, že i kdyby všechny ostatní prvky takto založeného reaktoru pracovaly s účinností 99%, nebyla by na základě uvedeného postavená elektrárna rentabilní.

    Pokud použijete dostatečně velký terčík, místo sklenice s vodou, sud a nebo radši bazén, pak se sice téměř všechny protony pohltí v bazénu, ale přesto jen zlomek jich zreaguje. U většiny 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 použili jako terčík. Stačí do svazku protonů strčit ruku. V ruce je spousta vody a navrch se budete moci pochlubit, že vám v ruce probíhala termonukleární reakce. A ještě větší lenoši se nebudou shánět ani po vysokonapěťovém trafu a ani po ionizátoru. Stačí si lehnout na palouk, otevřít lahváč a čekat než přiletí z kosmu sprška tvrdého záření. Občas se tak stane, že nám do těla udeří částice s dostatečně vysokou energií k syntéze s atomovými jádry našeho 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 možné zvýšit účinnost popsané reakce. Jak jsme si již řekli, hlavní problém spočívá v tom, že většina 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 naráží na atom kyslíku. Odráží se, ale část energie zůstala kyslíku, tj. proton ztrácí rychlost. Naráží na vodík a odráží se a pink další náraz do vodíku a další a teď príma trefa, že by to zreagovalo.. no jo, ale ten proton už nemá dostatečnou rychlost, tj. teplotu. A letí další proton a pink odráží se od atomu vodíku a pak od kyslíku a od sodíku, jo to je z kousku soli (špatně omytá sklenice, zatracená myčka). A další proton letí a pink téměř pružně se odrazil od vodíku a od dalšího vodíku, ten ionizoval a pak pink a pink další odrazy a stále žádná reakce. A další proton vžuuum, ten je skutečně pěkně urychlený. Patnáct set ionizovaných molekul. To je pěkný výkon, ale žádná 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 každém 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 snaží. Ono udržet materiál při takovéto teplotě není žádná legrace a tím pádem z toho přestává být možnost topení na chatu. Něco takového v domácích podmínkách nikdo nepostaví. A nešlo 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 aniž by částice koule významně reagovali s vodou bazénu?

    Vzhledem k tomu, že sněhová koule má rozměry mnohem větší než je střední vzdálenost mezi srážkami molekul vody v bazénu, bude rozptyl energie podstatně menší než u protonu, u kterého je tomu právě naopak. Rozměry, tj. účinný průřez protonu při 2800 km/s, jsou podstatně menší než 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 blíží se k našemu bazénu. Koule právě naráží na hladinu vody v bazénu. Všechny 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 narážejí na téměř nehybné částice vody v bazénu a většinou 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 však mnohem menší než velikost sněhové koule, a tak srážkami urychlené částice nestíhají unést získanou energii daleko. Navíc se na jejich místo tlačí další částice sněhové koule, protože 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 narážet obrovskými rychlostmi, a tak dojde celkově k většímu množství termonukleárních reakcí, což počne ještě více zvyšovat teplotu a tlak rozhraní. Účinnost reakce tak markantně vzroste.

    Na první pohled se zdá, že jsme vyřešili energetický problém lidstva. Není však třeba jásat. Uklidněme se a otevřeme si dalšího lahváče. Nic není tak horké, jako naše sněhová koule... Výše popsaná reakce se sněhovou koulí je velice pěkná. Podařilo se nám zvýšit výtěžnost 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 však problém spíše pouze transformovali na jiný druh problému. Ono urychlit sněhovou kouli na tři tisíce kilometrů za vteřinu není také žádná legrace. To je pak již otázka, zda není jednoduší ohřát tu vodu v té sklenici na oněch půl miliardy stupňů. Babo raď, co je lepší.

    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 garáže. Takto urychlit sněhovou kouli je pro nás neřešitelný problém a nepomohou nám s tím ani ti největší borci.

    Na jedné straně dokážeme protony v urychlovačích urychlovat až téměř na rychlost světla. Na straně druhé dokážeme makroobjekty (jakým je i sněhová koule) urychlovat v tzv. kinetických urychlovačích až na rychlosti několik desítek kilometrů za sekundu. Částicové urychlovače nám tedy dávají možnost podstatně vyšších rychlostí než by bylo minimálně zapotřebí (více jak stokrát vyšší), ale na druhou stranu urychlují jen částice, což je pro výtěžnost reakce málo (příliš málo urychlené hmoty). Na druhé straně kinetické urychlovače urychlují dostatečně velké množství hmoty najednou (zbytečně mnoho - řádově jednotky až desítky gramů), ale rychlost není dostatečná (více jak stokrát nižší).

    Očividně zde chybí technologie na urychlování "mezi tím". Technologie, která by urychlovala o několik řádů menší hmoty než kinetické urychlovače a o několik řádů větší hmoty než částicové urychlovače. Nazvěme tuto technologii urychlováním nanokrystalů. Myslím, že je v řádu současných možností a schopností zkonstruovat nanokrystalový urychlovač, který by urychloval nanokrystaly o rozměrech 100 až 500 nanometrů na rychlost tři tisíce kilometrů za sekundu. Uvedený rozměr krystalů by byl ještě postačující pro dobrou výtěžnost termonukleární reakce. Úvahy nad touto problematikou naznačují, že by řešení prostřednictvím nanokrystalového urychlovače mohlo být technicky schůdnější než se snažit udržet 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 další možnost, jak technicky realizovat termonukleární fůzi. Jen čas ukáže, zda je tato cesta opravdu schůdnější než 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 
     (1681 hl.)
    do 20-ti let 
     (1328 hl.)
    do 50-ti let 
     (1277 hl.)
    nikdy 
     (1129 hl.)

    Celkem hlasovalo: 5415


      Kalendář
    <<  Říjen  >>
    PoÚtStČtSoNe
           1
    2345678
    9101112131415
    16171819202122
    23242526272829
    3031     

    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.