Sciencemag.cz
Doporučujeme
Známá kauza údajné „studené fúze“ při elektrolýze z roku 1989 nebyla jedinou slepou uličkou souvisejících výzkumů. Co zkusit nechat reagovat namísto obyčejného deuteria jeho tzv. mezoatomy?
Bublinková fúze
V roce 2002 se objevila myšlenka o fúzi v misce vody. Rusi Taleyarkhan se svými kolegy z Národní laboratoře v Oak Ridge (ORNL, USA) toho roku ohlásil, že se jim podařilo dosáhnout jaderné fúze při experimentech se sonoluminiscencí. Pomocí 14 MeV neutronů se při nich v deuterovaném acetonu (C3D6O) vytvářely malinké bublinky (o průměru 10–100 nanometrů), které pak pod vlivem zvukových vln expandovaly až na milimetrovou velikost, aby se vzápětí zhroutily. Při kolapsu se páry obsažené v bublince zahřejí natolik, že lze pozorovat záblesk. Objevily se spekulace, že by teplota při kolapsu mohla stačit i na zažehnutí jaderné fúze.
Taleyarkhan a jeho kolegové tvrdili, že naměřili jak 2,45 MeV neutrony, které charakterizují DD-fúzi, tak produkci tritia, zatímco při použití nedeuterovaného (obyčejného) acetonu oba projevy fúze zmizely. Výsledek byl natolik překvapivý, že vedení Oak Ridge požádalo dva nezávislé vědce z laboratoře, Dana Shapiru a Michaela Saltmarshe, aby se pokusili měření zopakovat. Těm se ovšem nepodařilo prokazatelně naměřit ani neutrony, ani tritium, přestože měli k dispozici citlivější detektor než Taleyarkhan.
Pozdější práce autorů Jurije Diděnka a Kennetha Suslicka z univerzity v Illinois zabývající se studiem rozdělení akustické energie při sonoluminiscenci dokládají, jak nesmírně nepravděpodobné je dosažení termonukleárních teplot vzhledem k endotermním chemickým reakcím, které se spouštějí během kolapsu bublinky. Zdá se, že bublinková fúze je jen další slepou uličkou.
Fúze pomocí mezonů
Zcela nový přístup k fúzi lehkých prvků napadl Charlese Franka z univerzity v Bristolu (Spojené království) v roce 1947. Tým v Bristolu vedený Cecilem Powellem studoval kosmické záření pomocí balonů, které vynášely vysoko do stratosféry speciální fotografické desky. Kosmické záření, vstupující do zemské atmosféry z vesmíru, zanechávalo ve fotografickém materiálu stopy po průletech částic. To vedlo k objevům celé řady nových elementárních částic, včetně té, které dnes říkáme μ (mí) mezon neboli mion. Mion je 207krát těžší než elektron a vyskytuje se podle elektrického náboje ve třech podobách: kladný, záporný a neutrální. I když byly miony nejprve objeveny v kosmickém záření, umíme je dnes produkovat i v částicových urychlovačích.
Mion se chová jako velmi těžký elektron, což přivedlo Charlese Franka na myšlenku, že by bylo možné v atomu vodíku (nebo deuteria) nahradit elektron záporným mionem. Podle pravidel kvantové mechaniky musí být poloměr dráhy částice, která tvoří atomový obal, nepřímo úměrný její hmotnosti. Mionový atom neboli mezoatom, jak se takovému útvaru dnes říká, má tedy velikost rovnou jen 1/207 normálního vodíkového atomu. To znamená, že se mezoatom deuteria může přiblížit velmi těsně k jinému atomu deuteria či tritia, natolik těsně, že může případně i proběhnout fúze provázená uvolněním energie. Z jiného pohledu lze situaci popsat tak, že záporný náboj mionu, který je velmi blízko jádra, odstiňuje kladný náboj jádra, a tak je možné, že se dvě jádra k sobě dostanou dostatečně blízko, aby mezi nimi mohlo dojít k fúzi.
Praktickému využití této myšlenky brání dvě překážky. Zaprvé, miony jsou nestabilní, s dobou života pouhé 2,2 mikrosekundy. Zadruhé, k výrobě jednoho mionu na urychlovači je třeba vynaložit
více energie, než kolik se uvolní při jedné DT fúzní reakci – dokonce asi tak tisíckrát více. Nic však nebylo ztraceno. Frank si totiž uvědomil, že existuje následující možnost: Mion se během DT fúzní reakce uvolní, protože vzniklá alfa částice odlétá příliš velkou rychlostí na to, aby ho udržela. Mion tedy může vyvolat další fúzní reakci. Miony tak vlastně fungují jako katalyzátory, a proto je tento proces dnes znám jako mionová katalýza. Samozřejmě pokud by se takový proces měl stát použitelným zdrojem energie, pak by musel každý jeden mion během svého krátkého trvání katalyzovat nejméně tisíc fúzních reakcí, aby tak splatil „i s úroky“ energii do něj vloženou.
V Sovětském svazu se Frankova nápadu ujal Andrej Sacharov. Jeho výpočty četnosti fúzních reakcí katalyzovaných miony nejprve naznačovaly, že jde o příliš pomalý proces, než aby
bylo možné dosáhnout čistého energetického zisku během doby života mionu. Mezitím byla v roce 1956 poprvé pozorována mionová fúze jako vedlejší jev při experimentech Luise Alvareze na urychlovači v Berkeley v Kalifornii. Na to navázaly v Sovětském svazu experimenty přímo věnované mionové fúzi, nejprve s DD a později s DT, které prokázaly, že v principu mionová katalýza funguje.
Zhruba ve stejné době přišli dva sovětští fyzikové – Sergej Gerštejn a Leonid Ponomarev – s tvrzením, že původní teorie plně neodpovídá skutečnosti a mionová DT-molekula může vznikat mnohem rychleji, než se původně předpokládalo. Otevřela se tudíž možnost, že by se i během velmi krátkého trvání mionu mohlo uskutečnit mnoho fúzních reakcí.
Tato práce vedla k novému zájmu o mionovou fúzi, k novým experimentům, jejichž cílem bylo stanovit, kolika fúzních reakcí připadajících na jeden mion lze dosáhnout. Při experimentech vedených Stevenem Jonesem (jenž se později podílel na testování studené fúze na Univerzitě Brighama Younga) v laboratořích Los Alamos v Novém Mexiku se používala zlacená nerezová nádoba, ve které bylo možné v širokém rozsahu měnit tlak a teplotu směsi deuteria a tritia. Teorie předpovídala, že se molekuly budou formovat rychleji při vysokém tlaku, a výsledky publikované v roce 1985 skutečně ukázaly, že při zvyšování tlaku DT-směsi počet fúzí na jeden mion roste zhruba až na 150. Toto množství je nicméně stále příliš nízké na to, aby proces vedl k čistému energetickému zisku. Podobnost s tehdejším stavem „horké“ fúze (ať už s magnetickým, nebo inerciálním udržením) byla zarážející: fúzní energii bylo možné uvolnit, ale stále bylo nutné do procesu vkládat mnohem více energie, než kolik se dalo získat.
Hlavním problémem se stal jev zvaný zachycení (sticking). Každá fúzní reakce vytváří kladně nabitou alfa částici, která může přitáhnout a zachytit záporný mion a tím ho vyřadit z dalších fúzních reakcí. Například kdyby pravděpodobnost zachycení byla 1%, maximální počet fúzních reakcí katalyzovaných mionem by byl 100, tj. příliš málo na to, aby se proces vyplatil. Nedávné experimentální práce se zaměřily právě na měření pravděpodobnosti zachycení a na pokusy o její případné snížení.
V roce 2005 se uskutečnily experimenty v rámci britsko-japonské spolupráce pod vedením Kanetady Nagamina ve společnosti Rutherford Appleton Laboratory ve Spojeném království na urychlovači ISIS, což je momentálně nejintenzivnější zdroj mionů na světě. Nagamine naměřil pravděpodobnost zachycení 0,4 %, což dovoluje okolo 250 fúzních reakcí na mion. Studují se různé myšlenky, jak tuto pravděpodobnost dále snížit.
Bohužel experti podle všeho pomalu dospívají k závěru, že tato hodnota pravděpodobnosti zachycení představuje fundamentální hranici. Nejspíš se musíme smířit se smutnou skutečností, že je možné přiblížit se touto elegantní metodou závratně blízko k energetickému vyrovnání, aniž bychom ho mohli dosáhnout.
Tento text je úryvkem z knihy:
Garry McCracken, Peter Stott: Fúze – energie vesmíru
2. upravené vydání
Academia 2019
O knize na stránkách vydavatele
