Má termojaderná energetika budoucnost?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Už více než půl století se vědci snaží na Zemi sestrojit stroj, ve kterém podobně jako v útrobách hvězd probíhá termonukleární reakce. Technologie řízené termonukleární fúze slibuje lidstvu téměř nevyčerpatelný zdroj čisté energie. U zrodu této technologie stáli sovětští vědci – a Rusko nyní pomáhá stavět největší fúzní reaktor na světě.

Části jádra atomu jsou drženy pohromadě kolosální silou. Existují dva způsoby, jak jej uvolnit. První metodou je využití štěpné energie velkých těžkých jader z nejvzdálenějšího konce periodické tabulky: uranu, plutonia. Ve všech jaderných elektrárnách na Zemi je zdrojem energie právě rozpad těžkých jader.

Existuje ale i druhý způsob, jak uvolnit energii atomu: nedělit se, ale naopak jádra spojovat. Některé z nich při slučování uvolňují ještě více energie než štěpná jádra uranu. Čím lehčí jádro, tím více energie se při fúzi uvolní (jak se říká fúze), takže nejúčinnějším způsobem, jak získat energii jaderné fúze, je donutit jádra nejlehčího prvku – vodíku – a jeho izotopy ke splynutí..

Ruční hvězda: solidní klady

Jaderná fúze byla objevena ve 30. letech 20. století studiem procesů probíhajících v nitru hvězd. Ukázalo se, že reakce jaderné fúze probíhají uvnitř každého slunce a světlo a teplo jsou jeho produkty. Jakmile se to ukázalo, vědci přemýšleli, jak zopakovat to, co se děje v útrobách Slunce na Zemi. Ve srovnání se všemi známými zdroji energie má „slunce ruky“řadu nesporných výhod.

Nejprve mu jako palivo slouží obyčejný vodík, jehož zásoby na Zemi vydrží na mnoho tisíc let. I když vezmeme v úvahu skutečnost, že reakce vyžaduje ne nejběžnější izotop, deuterium, stačí sklenice vody k zásobování malého města elektřinou na týden. Za druhé, na rozdíl od spalování uhlovodíků, reakce jaderné fúze neprodukují toxické produkty - pouze neutrální plyn helium.

Výhody fúzní energie

Téměř neomezené zásoby paliva. Ve fúzním reaktoru fungují izotopy vodíku - deuterium a tritium - jako palivo; můžete také použít izotop helium-3. V mořské vodě je hodně deuteria – lze ho získat klasickou elektrolýzou a jeho zásoby ve Světovém oceánu vydrží při současné poptávce lidstva po energii asi 300 milionů let.

Tritia je v přírodě mnohem méně, vyrábí se uměle v jaderných reaktorech – ale k termojaderné reakci je potřeba jen velmi málo. Na Zemi téměř žádné helium-3 není, ale v měsíční půdě je ho hodně. Pokud jednoho dne budeme mít termonukleární energii, bude pravděpodobně možné letět na Měsíc pro palivo.

Žádné výbuchy. K vytvoření a udržení termonukleární reakce je potřeba hodně energie. Jakmile se zastaví dodávka energie, reakce se zastaví a plazma zahřátá na stovky milionů stupňů přestane existovat. Fúzní reaktor je proto obtížnější zapnout než vypnout.

Nízká radioaktivita. Termonukleární reakce vytváří tok neutronů, které jsou emitovány z magnetické pasti a usazeny na stěnách vakuové komory, čímž se stává radioaktivní. Vytvořením speciální „deky“(přikrývky) po obvodu plazmatu, zpomalující neutrony, je možné prostor kolem reaktoru zcela ochránit. Samotná přikrývka se časem nevyhnutelně stane radioaktivní, ale ne na dlouho. Necháte-li jej odpočívat 20-30 let, můžete opět získat materiál s přirozeným pozadím záření.

Žádné úniky paliva. Vždy existuje riziko úniku paliva, ale fúzní reaktor vyžaduje tak málo paliva, že ani úplný únik neohrožuje životní prostředí. Například spuštění ITER by vyžadovalo jen asi 3 kg tritia a o něco více deuteria. I v nejhorším případě se toto množství radioaktivních izotopů rychle rozptýlí ve vodě a vzduchu a nikomu neublíží.

Žádné zbraně. Termonukleární reaktor neprodukuje látky, které by se daly použít k výrobě atomových zbraní. Nehrozí tedy, že by šíření termojaderné energie vedlo k jadernému závodu.

Jak rozsvítit „umělé slunce“, se obecně ukázalo již v padesátých letech minulého století. Na obou stranách oceánu byly provedeny výpočty, které stanovily hlavní parametry řízené reakce jaderné fúze. Mělo by proběhnout při obrovské teplotě stovek milionů stupňů: za takových podmínek dochází k odtrhávání elektronů od jejich jader. Proto se této reakci také říká termonukleární fúze. Holá jádra, která do sebe narážejí závratnou rychlostí, překonávají Coulombův odpor a spojují se.

Problémy a řešení

Nadšení prvních desetiletí narazilo na neuvěřitelnou složitost úkolu. Spuštění termonukleární fúze se ukázalo jako poměrně snadné – pokud se to provede formou exploze. Tichomořské atoly a sovětská testovací místa v Semipalatinsku a Nové Zemi zažily plnou sílu termonukleární reakce již v prvním poválečném desetiletí.

Ale použití této síly, kromě ničení, je mnohem obtížnější než odpálení termonukleární nálože. Pro využití termojaderné energie k výrobě elektřiny musí být reakce prováděna řízeným způsobem, aby se energie uvolňovala po malých částech.

Jak to udělat? Prostředí, ve kterém probíhá termonukleární reakce, se nazývá plazma. Je podobný plynu, pouze se na rozdíl od normálního plynu skládá z nabitých částic. A chování nabitých částic lze ovládat pomocí elektrických a magnetických polí.

Proto je termonukleární reaktor ve své nejobecnější podobě plazmová sraženina zachycená ve vodičích a magnetech. Zabraňují úniku plazmatu a přitom se uvnitř plazmatu slučují atomová jádra, v důsledku čehož se uvolňuje energie. Tato energie musí být odstraněna z reaktoru, použita k ohřevu chladicí kapaliny – a musí být získána elektřina.

Pasti a úniky

Ukázalo se, že plazma je nejrozmarnější látkou, které lidé na Zemi museli čelit. Pokaždé, když vědci našli způsob, jak zablokovat jeden typ úniku plazmy, byl objeven nový. Celá druhá polovina 20. století byla věnována učení se udržet plazma uvnitř reaktoru po nějakou významnou dobu. Tento problém začal ustupovat až v našich dnech, kdy se objevily výkonné počítače, které umožňovaly vytvářet matematické modely chování plazmatu.

Stále neexistuje konsenzus ohledně toho, která metoda je nejlepší pro zadržení plazmy. Nejznámější model, tokamak, je vakuová komora ve tvaru koblihy (jak říkají matematici, torus) s lapači plazmy uvnitř i vně. Tato konfigurace bude mít největší a nejdražší termonukleární instalaci na světě – reaktor ITER, který je v současné době ve výstavbě na jihu Francie.

Kromě tokamaku existuje mnoho možných konfigurací termonukleárních reaktorů: kulové, jako v petrohradském Globusu-M, bizarně zakřivené stelarátory (jako Wendelstein 7-X v Ústavu jaderné fyziky Maxe Plancka v Německu), laser inerciální pasti, jako jsou americké NIF. Dostává se jim mnohem menší pozornosti médií než ITER, ale mají také velká očekávání.

Existují vědci, kteří považují návrh stelarátoru za zásadně úspěšnější než tokamak: jeho stavba je levnější a doba plazmového zadržení slibuje mnohem více. Zisk energie je zajištěn geometrií samotné plazmové pasti, která umožňuje zbavit se parazitních efektů a netěsností, které jsou „koblihám“vlastní. Verze s laserovým čerpadlem má také své výhody.

Vodíkové palivo v nich se laserovými pulzy zahřeje na požadovanou teplotu a fúzní reakce se spustí téměř okamžitě. Plazma v takových instalacích je držena setrvačností a nemá čas se rozptýlit - vše se děje tak rychle.

Celý svět

Všechny termonukleární reaktory, které dnes na světě existují, jsou experimentální stroje. Žádný z nich neslouží k výrobě elektřiny. Žádnému se zatím nepodařilo splnit hlavní kritérium pro termonukleární reakci (Lawsonovo kritérium): získat více energie, než bylo vynaloženo na vytvoření reakce. Světové společenství se proto zaměřilo na gigantický projekt ITER. Pokud bude v ITER splněno Lawsonovo kritérium, bude možné technologii vylepšit a pokusit se ji přenést na komerční koleje.

Žádná země na světě by nemohla postavit ITER sama. Potřebuje jen 100 tisíc km supravodivých drátů a také desítky supravodivých magnetů a obří centrální solenoid pro udržení plazmatu, systém pro vytváření vysokého vakua v prstenci, heliové chladiče magnetů, regulátory, elektroniku… projekt buduje 35 zemí a více najednou tisíce vědeckých ústavů a továren.

Rusko je jednou z hlavních zemí účastnících se projektu; v Rusku se navrhuje a staví 25 technologických systémů budoucího reaktoru. Jedná se o supravodiče, systémy pro měření parametrů plazmatu, automatické regulátory a komponenty divertoru, nejžhavější části vnitřní stěny tokamaku.

Po spuštění ITER budou mít ruští vědci přístup ke všem jeho experimentálním datům. Ozvěnu ITER však pocítí nejen věda: nyní se v některých regionech objevila výrobní zařízení, která v Rusku dříve neexistovala. Například před zahájením projektu u nás průmyslová výroba supravodivých materiálů neexistovala a na celém světě se jich vyrábělo jen 15 tun ročně. Nyní, pouze v Chepetsk Mechanical Plant státní korporace "Rosatom" je možné vyrobit 60 tun ročně.

Budoucnost energetiky i mimo ni

První plazma na ITER by měla být přijata v roce 2025. Na tuto událost čeká celý svět. Ale jeden, byť ten nejvýkonnější, stroj není vše. Po celém světě i v Rusku pokračují ve výstavbě nových termonukleárních reaktorů, které pomohou konečně pochopit chování plazmatu a najít nejlepší způsob, jak jej využít.

Již na konci roku 2020 se Kurčatovův institut chystá spustit nový tokamak T-15MD, který se stane součástí hybridního zařízení s jadernými a termonukleárními prvky. Neutrony, které vznikají v zóně termonukleární reakce v hybridním zařízení, budou využity k iniciaci štěpení těžkých jader - uranu a thoria. V budoucnu lze takové hybridní stroje využít k výrobě paliva pro konvenční jaderné reaktory – jak tepelných, tak rychlých neutronů.

Thorium spasení

Zvláště lákavá je vyhlídka na využití termonukleárního „jádra“jako zdroje neutronů k iniciaci rozpadu v jádrech thoria. Na planetě je více thoria než uranu a jeho použití jako jaderného paliva řeší několik problémů moderní jaderné energetiky najednou.

Produkty rozpadu thoria tedy nelze použít k výrobě vojenských radioaktivních materiálů. Možnost takového využití slouží jako politický faktor, který brání malým zemím v rozvoji vlastní jaderné energie. Palivo Thorium tento problém řeší jednou provždy.

Plazmové pasti mohou být užitečné nejen v energetice, ale i v jiných mírových odvětvích – dokonce i ve vesmíru. Nyní Rosatom a Kurchatovův institut pracují na součástech pro bezelektrodový plazmový raketový motor pro kosmické lodě a systémy pro plazmovou modifikaci materiálů. Ruská účast v projektu ITER podněcuje průmysl, což vede k vytváření nových průmyslových odvětví, která již tvoří základ pro nový ruský vývoj.