Fúzor

Jaderná fúze láká energetiky už dlouhou dobu jako možný zdroj velkého množství energie pro budoucnost. Obvykle se pokládá za obor ještě těžší než fyzika jaderného štěpení. A hle – přitom existují studenti, kteří se sami pouštějí do konstrukce vlastního zařízení, ve kterém může fúze nastat! Nevěříte‑li, čtěte tento článek. Dva středoškolští studenti z Martina popisují, jak si postavili fúzor. Uchvátil je také pražský tokamak Compass‑D a chtěli by se i dál věnovat fyzice. Článek jsme nechali záměrně ve slovenštině, aby si čtenáři cvičili jazyk našich blízkých sousedů.

Popis a funkcia

Fúzor sa skladá z nádoby, v ktorej sú umiestnené dve elektródy. Prvá, so záporným nábojom, je v strede nádoby, druhá, spojená so zemou je tvorená samotnou stenou nádoby.

V nádobe sa vytvorí vákuum pomocou dvoch typov vývev – rotačnej a difúznej. Pomocou rotačnej vývevy dosiahneme tlak rádovo 1 Pa, čo je vákuum potrebné pre spustenie difúznej vývevy. Pomocou difúznej vývevy neskôr dosiahneme vákuum o tlaku zhruba 10^‑2 Pa, ktoré je nevyhnutné pre účely fúzora.

Do takéhoto vákua sa privedie deutérium, ktoré je neskôr urýchľované rozdielom potenciálov medzi elektródami na potrebnú energiu. Vysoké vákuum je potrebné jednak kvôli zápalnému napätiu samostatného výboja a taktiež kvôli strednej voľnej dráhe častice. Ak by bol v recipiente (vákuovej nádobe) vyšší tlak, potom by sa samostatný výboj zapálil pri nižšom napätí, ako potrebujeme dosiahnuť a teda energia častíc, ktorá je priamo úmerná napätiu medzi urýchľovacími elektródami, by nebola dostatočná.

Vákuum

Pre fúziu jadier deutéria je potrebné dosiahnuť iniciačnú energiu zhruba 15keV, čo zodpovedá napätiu 15 kV medzi elektródami. Na obr.1 je fotka aparatúry použitej pri pokuse vrátane amatérsky vyrobeného recipientu.

Pomocou tejto aparatúry sa nám podarilo dosiahnuť dostatočne vysoké vákuum, čo bol jeden s najdôležitejších výsledkov práce, inak by sa v pokusoch nedalo pokračovať. Toto vákuum sme pôvodne chceli merať pomocou amatérsky vyrobeného ionizačného vákuometra, avšak ako sa ukázalo, odpor vlákna bol príliš vysoký pre profesionálnu elektroniku, takže sa dal použiť iba ako zdroj iónov. Preto sme museli hodnoty tlaku iba rádovo odhadnúť. Zápalné napätie presiahlo maximálne napätie zdroja, čo bolo 10 kV, z čoho sme usúdili, že tlak mohol byť najviac 10^‑2 Pa (pri vyššom tlaku by sa zapálil samostatný výboj, a to sme nepozorovali).

Prívod pracovného plynu

Ďalším problémom, ktorý bolo treba vyriešiť, bol prívod pracovného plynu. Tento problém je zložitejší, kým by sa mohlo na prvý pohľad zdať. Prívod plynu musí byť riešený pomocou jemného ventilu, pretože ak by sme do vysokého vákua priviedli väčšie množstvo plynu, mohli by sme tak príliš zvýšiť tlak, čo by mohlo viesť aj k poškodeniu difúznej vývevy. Najskôr sme ako pracovný plyn použili vzduch, neskôr sme robili pokusy s vodíkom. Vodík sme pripravili elektrolýzou ľahkej vody, neskôr by sme chceli využiť na prípravu deutéria ťažkú vodu.

V týchto plynoch sme sa pokúsili zapáliť samostatný výboj. Na obr.2 je samostatný výboj vo vzduchu. Takto dosiahnutý výboj sa ukázal byť veľmi nestabilný. Preto sme ho stabilizovali pomocou zdroja iónov, ktorý výboju dodal ióny, teda zvýšil a stabilizoval prúd vo výboji. Na obr.3 je fotka žeravenia zdroja iónov.
Na základe týchto údajov, hlavne napätia, sme s konzultantom usúdili, že sa nám podarilo dosiahnuť podmienky vhodné pre jadrovú fúziu, ktorá by pravdepodobne prebehla, ak by sme do recipientu priviedli deutérium.

Okrem praktických pokusov sme aj simulovali rozloženie elektrických polí v recipiente pomocou počítačového programu. Na obr.4 je zobrazená elektrická intenzita, ktorej gradient určuje smer vektoru rýchlosti, ktorú nabitá častica získa pri urýchlení.

Plány do budúcnosti

V projekte by sme chceli ďalej pokračovať, kvôli profesionálnej konštrukcii recipientu sme sa prihlásili do grantovej súťaže. Do nového recipientu by sme chceli priviesť deutérium, urýchliť ho potrebným napätím a tak dosiahnuť fúziu, ktorú by sme chceli dokázať detekciou rýchlych neutrónov vznikajúcich pri tejto reakcii. Neskôr by sme chceli skúsiť optimalizovať jednotlivé parametre a tak dosiahnuť čo najlepšiu účinnosť tohto zariadenia.

Počas minulého roka sme naším projektom vyhrali druhé miesto v súťaži CASCADE a vďaka tomu sme sa zúčastnili týždňa vedy v Prahe. Dostali sme sa aj na tokamak Compass‑D, ktorý nás uchvátil. Čo sa týka nášho nasledovného štúdia, radi by sme sa ďalej venovali fyzike, a to jednému z jej mnohých odborov – fúzii, poprípade astronómii.

Poďakovanie patrí nášmu konzultantovi RNDr. Michalovi Stanovi, PhD, ktorý nám pomáha so zostrojením fúzora a Ing. Milanovi Řípovi, CSc., ktorý nám ochotne poskytuje informácie a vďaka ktorému sme sa takejto problematike začali venovať.