Iluse atomových strojů
| 31. 5. 20211942: [...] Starý problém atomového stroje znovu oživl u příležitosti nedávného objevu (1939) štěpení atomového jádra uranu a thoria, který učinili Hahn, Strassmann a jiní. Zde se podařilo za pomoci neutronů dosáhnouti rozpadu nejtěžších prvků na celou řadu značně lehčích trosek, jako jsou brom, krypton, rubidium, strontium, yttrium, zirkon, niob, molybden, lanthan, baryum, caesium, xenon, jod, tellur, antimon a j. Je to zcela podobný případ, jako když malá kapka dopadne na velkou a roztříští ji na mnoho drobných kapek, a atomová fysika také tento podivuhodný zjev vykládá stejným způsobem.
[...] Pomalé neutrony, vyrobené [...] cyklotronem posledního typu, dovedou uvolnit štěpením uranového atomu asi stomiliontinu kilowatthodiny z vnitroatomové energie. Ale cyklotron spotřebuje ke své práci za tutéž dobu (1 vteřinu) několik setin kilowatthodin, čili zhruba miliónkrát více, než kolik činí energie uvolněná štěpením uranového atomu.
Jak patrno, jsme s problémem uvolnění atomové energie k praktickým účelům dnes přesně tam, kde jsme byli před 20 lety při prvé umělé proměně atomu, a před čtyřicíti lety, když byly prostudovány zákony rozpadu radioaktivních prvků. Energetická bilance je stále stejně nepříznivá, energie z atomu získaná zůstává stále mizivě malým zlomkem té energie, které je třeba na její uvolnění vynaložit.
Lze sice stěží čekat, že by v nejbližších několika letech nastal v řešení tohoto problému pronikavý obrat, který by učinil z iluse atomového stroje skutečnost, ale přesto by bylo bláhové prohlásit za neřešitelný problém: dokonce snad stejně bláhové, jako tvrzení neinformovaných utopistů, s nímž se občas setkáváme v denním tisku i v polovědeckých časopisech, že doba, kdy budeme topit atomovou energií, je už zcela blízká.
Celý článek Františka Běhounka
Iluse atomových strojů
Vesmír 21, 33, 1942/2 (vyšlo 15. 10. 1942)
Ačkoliv nic tomu nenasvědčuje, že by se obvyklé přírodní zdroje, z nichž si člověk připravuje energii v té podobě, jakou potřebuje k pohonu strojů (máme na mysli především uhlí a naftu), blížily svému vyčerpání, jeví se již řadu let snaha nalézti za ně náhradu. „Bílé uhlí“, t. j. voda, tekoucí s dostatečnou rychlostí, nebo padající s dostatečné výšky a v dostatečném množství, je jednou z těchto náhrad; pohyb po břežních vod při přílivu a odlivu nebo i při pouhém vlnobití měl být jinou takovou náhradou, stejně jako využití rozdílu teplot mořské vody v různých hloubkách. Byly konány pokusy i se zdroji dosti rozmarnými jako jsou vítr — používaný nepamětně dlouho k pohonu lodí a větrných mlýnů — a přímé sluneční paprsky.
V posledních dvou či třech desítiletích, kdy se fysika horlivě zabývá výzkumem atomu, „nejmenší a nadále nedělitelné částice hmoty“, jak se chybně učili ještě mnozí z nás, obrátili objevitelé nových zdrojů energie svou pozornost k atomu. Začal je zajímat už brzy po objevu radioaktivity, když se na rozhraní minulého a našeho století bezpečně zjistilo, že atomy radioaktivních látek uvolňují ze sebe ustavičně a samovolně zářivou energii. Uvolňuje se bez vnějšího působení, ba dokonce i proti němu, v podobě hmotných, neviditelných částic elektricky kladně nabitých (paprsky alfa), nehmotných, neviditelných částic záporné elektřiny (paprsky beta neboli elektrony) a elektromagnetických paprsků gamma, mnohem pronikavějších než je záření Röntgenovo.
Tou měrou, jakou se znalost radioaktivních látek prohlubovala a jejich výroba rozšiřovala, přicházelo se však stále více k názoru, že jako zdroje energie nemají praktického významu. Výskyt radioaktivních rud je poměrně velmi omezený a výroba koncentrovaných radioaktivních solí drahá. Jak nákladné a nesmyslně drahé zdroje energie by to byly, je patrno z toho, že 1 gram radia, který stojí přibližně 2 miliony korun, je s to ohřát svým zářením 1 litr vody za 7 hodin pouze o 1 stupeň Celsia, ovšem ještě za předpokladu velmi obtížně splnitelného, že lze všechnu jeho zářivou energii zachytit a zužitkovat jen k tomu účelu. To by byl ovšem neobyčejně drahý zdroj energie ve srovnání se skromným uhlím, jehož jediný gram v ceně 1/30 haléře nám prokáže sedmkrát větší službu. Ani okolnost, že radium září tisíce let — jeho průměrná životní doba, t. j. doba po kterou vyzařuje energii, činí asi 2400 let — nám tento rozpočet znatelně nezlepší: za celou tu dobu nevyzáří radium více tepla než 20 metrických centů dobrého kamenného uhlí, a zůstává tedy stále topivem několiktisíckrát dražším než uhlí.
Nová fysikální teorie, všeobecně známá pod jménem principu relativity, pomohla — s počátku pouze na papíře — těm, kteří hledali v atomických silách nový zdroj energie, ze slepé uličky. Teorie relativity sloučila pojmy času, prostoru a hmoty a vypracovala nový a jednotný výklad základních zákonů, jimiž se čas, prostor a hmota řídí. Z teorie relativity vyplynula rovnomocnost hmoty a energie a jednoduchý vztah, spojující oba tyto pojmy. Podle ní není mezi hmotou a energií žádného zásadního rozdílu: hmota velikosti m se může za určitých okolností proměniti v zářivou energii E, která je rovna součinu z hmoty m a z dvojmoci světelné rychlosti c. Platí tedy vztah: E = m . c2.
Tato velmi prostá rovnice otevřela široké pole fantasii. Stačilo vzít tužku a spočítat, že jediný gram hmoty úplně vyzářené dodá energii 25 milionů kilowatthodin. To už bylo úctyhodné číslo a dalo se na jeho podkladu snít o nedaleké budoucnosti, kdy jediný gram vyzářené hmoty bude pohánět elektrárnu milionového města po celý měsíc, stroje zaoceánských obrů po celou plavbu z Evropy do Ameriky a zpět, vynese člověka v raketě na Měsíc a planety, atd.
Vývoj vědy ovšem tyto naděje záhy zklamal. Čím lépe fysikové poznávali atom, tím více se přesvědčovali o jeho neobyčejné stálosti a odolnosti vůči zásahům zvenčí. Nedalo se sice pochybovati o tom, že v jeho nitru jsou ztajeny velké síly, ale současně se ukazovalo, že jejich uvolnění je neobyčejně těžkým problémem.
V okamžiku, kdy se již tento problém zdál být neřešitelným a kdy selhaly mnohonásobné a po řadu let prováděné pokusy s urychlením rozpadu a vyzařování radioaktivních atomů, u nichž se ještě nejspíše mohlo počítat s kladným výsledkem vzhledem k jejich přirozené nestálosti, přišel Rutherfordův objev proměnitelnosti atomů. Došlo k němu v roce 1919 a je to objev zásadního významu pro pokusnou atomickou fysiku. Po řadu let byl označován nesprávným názvem „rozbití atomu“, ačkoliv ve skutečnosti o žádné rozbití atomu neběželo. Rutherfordovi se podařilo za pomoci radioaktivního záření paprsků alfa proměniti atom dusíku v atom kyslíku.
V té době se už rýsovaly první počátky správného popisu atomu, jako soustavy drobných částic hmoty a elektrických nábojů. Z různých fysikálních pochodů vyplynulo, že atom každého prvku je tvořen jakýmsi jádrem, v němž se soustřeďuje všechna hmota atomu, že toto jádro je elektricky nabité, při čemž velikost jeho náboje zákonitě souvisí s povahou atomu; že kolem tohoto kladného jádra krouží nehmotné elektrony, nejmenší částice záporné elektřiny, podobně asi jako planety kolem Slunce, a že jejich počet je takový, aby vyrovnaly svým úhrnným nábojem kladný náboj atomového jádra. Všechny tyto představy se s počátku pohybovaly v kolejích klasické fysiky: atomové jádro bylo kulovým útvarem, kolem něhož zase kroužily v eliptických drahách kulové elektrony. Ale pokusy dosti brzy ukázaly, že tyto představy jsou neudržitelné a ukázaly teoretikům cestu k novým a velmi smělým výkladům.
Rutherfordův pokus ukázal, že částice alfa — která je v podstatě atomovým jádrem helia — se spojí s atomovým jádrem dusíku, načež z tohoto kombinovaného jádra vyletí jeden proton, t. j. atomové jádro vodíku, a vznikne nové, nyní už stálé atomové jádro, které patří kyslíku.
Jak patrno, jde zde o synthesu — sloučení atomového jádra dusíku s atomovým jádrem helia, t. j. s částicí alfa, a o rozklad, následující téměř okamžitě nato, při čemž toto nové jádro pozbude jedno vodíkové jádro neboli proton. Vzhledem k tomu, že atomová váha dusíku činí v chemických jednotkách 14, atomová váha helia 4 a vodíku či jeho jádra (protonu) 1, je patrno, že o nějakém „rozbití atomu“ vlastně nelze mluvit; jde pouze o přestavbu atomového jádra.
Tento pokus, který zase oživil dávno zapadlé sny alchymistů o transmutaci hmoty — vždyť se zde podařilo proměnit jeden prvek v druhý, dusík v kyslík, tedy něco, co prohlašovala věda posledních desítiletí důsledně a tvrdošíjně za beznadějnou utopii — přinesl po prvé něco positivního všem těm, kdo věřili v možnost získání energie z atomu. Při proměřování drah protonů, unikajících z kombinovaného atomového jádra, se totiž zjistilo, že mnohé z nich mají vyšší energii pohybovou než částice alfa, která se sloučila s atomovým jádrem. To ovšem nebylo zjištěno při prvém pokusu s dusíkem, nýbrž při pokusech dalších s jinými lehkými prvky, které provedl Rutherford záhy nato. Protony, vyloučené při ostřelování atomů boru, fluoru, sodíku, hliníku a fosforu, vykazovaly celkovou energii vyšší, než měly původní střely — částice alfa, heliová jádra —, u protonů pocházejících z hliníku dokonce téměř o polovinu. Bylo jasné, že tento přírůstek energie musilo dodat jádro atomu samotné, čili byl zde po prvé prokázán případ uvolnění vnitroatomické energie.
Bylo potřebí další úmorné práce v oboru atomové fysiky a trvalo to léta, než se podařilo stanovit váhy jednotlivých druhů atomů prvků s dostatečnou přesností a než se číselně prokázalo, že onen přírůstek energie u protonů je skutečně dodán vyzářenou hmotou atomového jádra. Tato léta pilné práce také neobyčejně přispěla k opravě dosavadních názorů o skladbě atomu а k jejich zdokonalení. Z toho snad nejdůležitějším poznatkem bylo zjištění, že i jádro atomu je poměrně složitou stavbou, sestávající jednak z protonů — vodíkových jader —, jednak z neutronů, druhé, nejmenší, dnes známé a v našich prvcích bezpečně prokázané částice hmoty. Byla objevena Chadwickem teprve roku 1932. Neutron je v podstatě podobný protonu, liší se však od něho jednak svou nepatrně vyšší vahou, jednak tím, že nemá žádný elektrický náboj. S výjimkou vodíku sestává atomové jádro každého prvku z těchto dvou částic a je současně sídlem elektrických sil, tvořících ve svém souhrnu jakousi elektrickou hradbu, která je velmi účinně chrání proti každému zásahu zvenčí. Teprve když se použilo tak účinných střel, jako jsou paprsky alfa, letící rychlostí až 20.000 km za vteřinu, a v nichž je pohybová energie soustředěna do nemírně malého objemu, podařilo se tuto elektrickou hradbu prorazit, ačkoliv podle zásad klasické fysiky to bylo nutno považovati za nemožné.
Hned při prvních pokusech se zjistilo, že energie, uvolněná v podobě pohybové energie protonů z nitra atomů, je prakticky bezcenná. Ukázalo se, že je potřebí úžasně plýtvati střelami, t. j. paprsky alfa, má-li se aspoň jedné z nich podařit průnik elektrickou hradbou atomového jádra: na 100.000 střel připadl zpravidla jen jediný zásah, takže se dodalo 200.000 krát více energie, než kolik se jí získalo. To byla ovšem stejně špatná bilance jako v případě topení radioaktivními paprsky, který jsme uvedli na počátku. Další překážkou všech snah po využití vnitroatomické energie byla okolnost, že zdrojem atomových střel byly radioaktivní prvky, které jsou poměrně velmi vzácné a drahé: i radia samotného, jež se poměrně nejvíce vyrábělo, není dosud na celém světě k disposici ani 1 kilogram.
Tato druhá překážka byla poměrně záhy překlenuta. Fysikové nebyli spokojeni s nepatrným množstvím atomových střel, které jim dodávaly radioaktivní prvky, a začali budovati stroje na výrobu umělých atomových střel. Z teorie plynulo, že není zrovna potřebí používat k ostřelování atomových jader jen paprsků alfa, t. j. heliových jader, nýbrž že stačí k tomu urychlit vodíková jádra, protony (které lze lehce připravit), za pomoci vysokého elektrického napětí tak, aby získala rychlost několika tisíc kilometrů za vteřinu; to je rychlost, dostatečná k proražení elektrické hradby, chránící atomové jádro. Bylo k tomu ovšem zapotřebí vysokého elektrického napětí, několika set tisíc, po případě několika milionů voltů, ale to nebyl pro současnou techniku žádný problém. A tak vzniklo v krátké době několik typů strojů na výrobu atomových střel, z nichž se nyní nejvíce používá dvou: je to elektrostatický generátor van de Graaffův, a pak složitý stroj, zvaný cyklotron.
Elektrostatický generátor van de Graaffův vychází z všeobecně známé influenční elektriky. Je to v podstatě pás z isolačního materiálu (papír, hedvábí, gumovaná bavlna a pod.), uzavřený na způsob transmisse a pohybující se velkou rychlostí přes dvě nad sebou umístěné cívky. Třením vzniká na pásu elektřina, která je vyssávána hroty a soustředěna na velký sběrač kulové nebo hruškové podoby. Se sběračem je spojena vzduchotěsná trubice zvláštní konstrukce, zvaná iontová,[1] zpravidla velmi dlouhá; elektrickým napětím, které tímto způsobem získá, jsou potom uvnitř trubice urychlovány atomové střely. Poněvadž mezi sběračem elektřiny a okolím snadno nastává vyrovnání elektrického náboje v podobě několikametrových jisker, stavívají se tyto generátory buď do velkých prostor, jako jsou hangáry vzducholodí, aby byla značná vzdálenost mezi sběračem a jeho okolím, anebo se uzavírají do vzduchotěsných tanků, které se naplní vzduchem o tlaku několika atmosfér, čímž se rovněž nebezpečí přeskoku jisker sníží. Zvýšený tlak nese však s sebou značné nebezpečí požáru, který může být kdykoliv podnícen elektrickou jiskrou.
Elektrostatickými generátory se podařilo vyrobit napětí až 4 milionů vоltů a získat tolik atomových střel, kolik by dodalo 10 až 20 kilogramů radia. Jsou to stroje ohromných rozměrů a poměrně choulostivé, ale nejsou příliš drahé a jejich udržovací a provozní náklad je poměrně nízký. Mají však mez účinnosti, pokud jde o napětí, a i kdyby nebylo této okolnosti, je jejich značnou závadou iontová trubice sama. Je obtížné zkonstruovati tuto trubici tak, aby její stěny z isolačního materiálu snesly bez probití vysoké elektrické napětí mnoha milionů voltů, aniž bylo potřebí nadmíru trubici prodlužovati.
Oběma těmto překážkám se vyhýbá druhý stroj, cyklotron, který je amerického původu. Nepoužívá iontové trubice a atomové střely (ionty) v něm neletí přímou drahou, nýbrž jsou ve zvláštním přístroji podoby nízkého válce (t. zv. urychlovací komora) stáčeny polem silného magnetu do spirály o mnoha závitech. V každém závitu jsou ionty dvakrát podrobeny urychlení, které jim dodá střídavé elektrické pole o poměrně nízkém napětí 50.000 až 100.000 voltů. Tato částečná urychlení se sčítají, takže ionty (atomové střely) letí nakonec takovou rychlostí, jakou by získaly v iontové trubici o napětí rovném napětí střídavého pole (50.000 až 100.000 voltů), násobenému dvojnásobným počtem závitů. Jestliže tedy cyklotron pracuje se střídavým napětím 50.000 voltů a jestliže atomové střely v něm proběhnou celkem 60 závitů spirály, mají nakonec rychlost, odpovídající napětí 50.000 . 120, t. j. 6 milionů voltů.
Pokud jde o množství vyrobených atomových střel, zůstává cyklotron pozadu za elektrostatickým generátorem, zato jej daleko předčí co se týká energie střel. Poslední americký stroj z roku 1940 dosáhl již v energii střel takového výkonu, jaký by odpovídal napětí 8 milionů voltů a ještě téhož roku bylo započato s konstrukcí nového stroje o třikrát větší výkonnosti, jehož střely dosáhnou pohybové energie odpovídající napětí třikrát většímu, t. j. 24 milionů voltů.
Konstrukce přístrojů tohoto druhů je velmi drahá a i jejich provozní náklady jsou vysoké. Především vyžadují mohutný elektromagnet, který už u prvého velkého přístroje, postaveného Lawrencem r. 1936, dosáhl průměru pólů téměř jednoho metru, při váze měděného vinutí cívek 8 tun a váze železného jádra 42 tun. Další stroje ještě tyto rozměry značně překonaly; cyklotron z r. 1940 měl již magnet o průměru pólů 1,5 metru a nejnovější stroj, t. č. ve stavbě, bude mít průměr pólů 4,7 metru při váze železného jádra 4.900 tun. Je-li potřebí celého lodního nákladu jen na materiál samotný, lze si přibližně učinit představu o drahotě stroje. K magnetu přistupuje ještě celá vysílací stanice, která řídí proměnlivé elektrické pole a pracuje s trvalou spotřebou 25 kilowattů, komora, ve které se urychlují atomové střely, čerpací zařízení, chladiče atd. V podstatě jde o celou malou továrnu, jejíž trvalá spotřeba činí i u menších strojů 100 až 150 kilowattů a kde i vodní chlazení musí být tak vydatné, že se vyplatí vypařenou vodu znovu kondensovat.
Za pomoci těchto nákladných zařízení na výrobu umělých atomových střel učinila atomová fysika v posledních několika letech veliký pokrok na poli pokusném. Podařilo se provésti až na nepatrné výjimky přeměny atomových jader všech prvků, od nejlehčích po nejtěžší a prostudovati je. Mnohé ty přeměny nejsou trvalé, nýbrž vedou k nestálému jádru, které se s vyzařováním energie mění různě rychle zase v jádro jiného, stálého prvku, t. j. byly získány prvky uměle radioaktivní. Zcela mimochodem se zdařilo vyrobit i umělé zlato, t. j. proměnit rtuť ve zlato a vyplnit ve XX. století dávnou touhu alchymie. Ale na praktické výrobě zlata tímto způsobem by nemohl mít nikdo zájem, ježto by přišlo mnohotisíckrát dráže, než zlato dobývané ze země.
Na druhé straně však snaha o jednoduché uvolnění vnitroatomové energie se nepřiblížila ani za pomoci těchto složitých strojů k svému splnění. Ukázalo se sice, že lze jimi vyrobiti ve velkém množství neutrony, atomové střely, které jsou neobyčejně výkonné, ježto nemají elektrický náboj a nepotřebují proto překonávati odpuzování, jímž působí elektrická hradba chránící atomové jádro, na protony a částice alfa, nesoucí souhlasný elektrický náboj, ale pro praktické využití atomových sil je to bezvýznamné. Neutrony nelze totiž vyrobiti přímo, nýbrž jen pomocí jiných střel, protonů, deutonů (jader těžkého vodíku, jehož váha je dvakrát vyšší, než váha vodíku obyčejného) a paprsků alfa, a vždy je potřebí tisíce takových střel, aby vznikl jediný neutron. Máme zde stále týž případ plýtvání energií, aby se urvalo něco z energie atomového jádra.
Starý problém atomového stroje znovu oživl u příležitosti nedávného objevu (1939) štěpení atomového jádra uranu a thoria, který učinili Hahn, Strassmann a jiní. Zde se podařilo za pomoci neutronů dosáhnouti rozpadu nejtěžších prvků na celou řadu značně lehčích trosek, jako jsou brom, krypton, rubidium, strontium, yttrium, zirkon, niob, molybden, lanthan, baryum, caesium, xenon, jod, tellur, antimon a j. Je to zcela podobný případ, jako když malá kapka dopadne na velkou a roztříští ji na mnoho drobných kapek, a atomová fysika také tento podivuhodný zjev vykládá stejným způsobem. Velmi pozoruhodný je případ atomu uranu, který se štěpí účinkem velmi pomalých neutronů o mizivě malé energii. Energetická bilance vychází v tomto případu neobyčejně vysoká: pohybová energie trosek je několiksetmilionkrát větší, než pohybová energie pomalého neutronu, který je z jádra uranového atomu vyrobil. V ojedinělém případu docházíme ovšem opět k číslicím prakticky bezvýznamným: pomalý neutron má energii řádu biliontiny ergu[2] a uvolní tedy z uranového atomu jen mizivě malou energii řádu stotisíciny ergu. Cyklotron dokáže ovšem vyrobit miliardy neutronů za vteřinu, to však jsou neutrony rychlé, z nichž největší část vyjde nazmar při zpomalovacím pochodu, který obvykle pozůstává ve filtrování neutronů vodou nebo parafinem. I kdybychom pro náš přibližný výpočet předpokládali, že lze ze všech těch neutronů vyrobiti neutrony pomalé, dojdeme k energetickému zisku řádu 100.000 ergů neboli stomiliontiny kilowatthodiny; jinak řečeno pomalé neutrony, vyrobené za těchto příznivých poměrů cyklotronem posledního typu, dovedou uvolnit štěpením uranového atomu asi stomiliontinu kilowatthodiny z vnitroatomové energie. Ale cyklotron spotřebuje ke své práci za tutéž dobu (1 vteřinu) několik setin kilowatthodin, čili zhruba miliónkrát více, než kolik činí energie uvolněná štěpením uranového atomu.
Jak patrno, jsme s problémem uvolnění atomové energie k praktickým účelům dnes přesně tam, kde jsme byli před 20 lety při prvé umělé proměně atomu, a před čtyřicíti lety, když byly prostudovány zákony rozpadu radioaktivních prvků. Energetická bilance je stále stejně nepříznivá, energie z atomu získaná zůstává stále mizivě malým zlomkem té energie, které je třeba na její uvolnění vynaložit.
Lze sice stěží čekat, že by v nejbližších několika letech nastal v řešení tohoto problému pronikavý obrat, který by učinil z iluse atomového stroje skutečnost, ale přesto by bylo bláhové prohlásit za neřešitelný problém: dokonce snad stejně bláhové, jako tvrzení neinformovaných utopistů, s nímž se občas setkáváme v denním tisku i v polovědeckých časopisech, že doba, kdy budeme topit atomovou energií, je už zcela blízká.
[1] Ion je elektricky nabitý atom nebo molekula. Poněvadž proton je v podstatě vodíkovým jádrem, t. j. atomem vodíku, jemuž chybí jeho jediný elektron, je rovněž elektricky nabit (kladně) a lze tedy o něm mluviti jako o iontu. Totéž platí i o jiných atomových střelách, těžkém vodíku a heliu.
[2] Jednotka energie (práce) erg, odpovídá přibližně práci, kterou vykonáme, zvedneme-li 1 miligram do výše 1 cm.
2021: Článek Františka Běhounka, který ve Vesmíru vyšel 15. října 1942, je nádhernou ukázkou, jak může chybějící střípek ve skládance dramaticky změnit pohled na věc i situaci. A také, jak může získání onoho střípku znamenat okamžitý dramatický zlom a rozhodnout i události dějinného významu.