Neděle, 20 září
Shadow

Fúze, to není jen vtip I: Proč se o to snažíme a co nám stojí v cestě?

Dobře známé schéma fúzní reakce deuteria a tritia.
Dobře známé schéma fúzní reakce deuteria a tritia.

Našim váženým čtenářům přinášíme další seriál o výzkumu jaderných technologií. Tématem následujících článků je termojaderná fúze, zdroj energie, který by mohl vyřešit mnohé problémy světové energetiky, ale jako takový nebude zdaleka zadarmo. Výzkum fúze je velkou výzvou, která vyžaduje vynikající mezinárodní spolupráci i spolehlivé financování. V prvním díle našeho seriálu se podíváme na fyzikální podstatu fúzní reakce, obtíže spojené s řízenou fúzí a na obrovské výhody, které tento potenciální zdroj energie přináší.

„Vědci, kteří se zabývají výzkumem jaderné fúze, slýchávají tenhle vtip od laiků až příliš často: ‘Jistěže vím, co je to fúze – energetický zdroj budoucnosti, a vždycky jím zůstane.‘ Ale když se podíváme na dosavadní průběh výzkumu, nemůžeme mít lidem za zlé, že to vidí takto. Fúze je jako věčná družička, která tu kytku nikdy nemůže chytit a ne a ne se stát nevěstou – toto odvětví neustále postupuje kupředu, ale k užitečnému fúznímu reaktoru zřejmě stále vede alespoň třicetiletá cesta. A co k fúzi vědce vlastně neustále přitahuje a proč je tak těžké ji ovládnout?“  

                                                                                                                                            Daniel Clery, Huffington Post

Při fúzi se uvolňuje jaderná energie, ale děje se tak úplně jiným způsobem, něž v současných jaderných elektrárnách. Dnes se jaderná energie získává štěpením těžkých jader, například uranu. Součet klidových hmotností dceřiných jader je menší než hmotnost původního jádra, zbytek se uvolní v podobě kinetické energie – tepla, které je předáno chladivu a přeměněno na energii elektrickou. Proces štěpení je poměrně snadno dosažitelný, těžké jádro totiž „sotva drží pohromadě“ a stačí malý impuls – náraz neutronu, aby se celý systém rozpadl. Při štěpení vznikají také další neutrony, které mohou způsobit štěpení dalších jader. V klasické jaderné energetice jde potom v podstatě jen o to, jak tento proces udržet na uzdě. To sice není jednoduché, ale máme k dispozici řadu prostředků, jak toho dosáhnout. Štěpení jader se nám tedy podařilo poměrně dobře ovládnout.

Fúze probíhá opačně, dvě lehká jádra, například izotopy vodíku deuterium a tritium, se sloučí na jádro těžší, například hélium, obvykle při uvolnění nějaké další částice (ve zmíněné reakci se jedná o neutron). I při tomto procesu se uvolňuje značné množství energie v podobě kinetické energie produktů. Právě na základě tohoto procesu získávají energii hvězdy –  díky fúzi tedy mimo jiné vznikl život na zemi. Problém je v tom, že fúze lehkých jader neprobíhá při běžných pozemských podmínkách, musíme se pokusit napodobit podmínky uvnitř hvězd.

Proč je tak těžké dosáhnout sloučení jader? Odpověď musíme hledat hned v několika odvětvích fyziky. Dvě kladně nabité částice (v našem případě jádra vodíku, tedy atomy zbavené záporného elektronu) se přirozeně odpuzují. Elektromagnetická interakce, která toto odpuzování způsobuje, má daleko větší dosah, než silná jaderná interakce, která drží pohromadě protony a neutrony uvnitř jader. Aby tato přitažlivá síla převládla, musí se jádra dostat k sobě dost blízko, pak s určitou pravděpodobností nastane jev kvantového tunelování a jádro přeskočí bariéru tvořenou odpudivou silou (přestože podle klasické fyziky by na to nemělo dostatek energie) a sloučí se s druhým jádrem. Pokud by tento mechanismus neexistoval, jádra by musela překonat celou odpudivou Coulombovu bariéru, to by znamenalo, že teplota v nitru Slunce musí být v řádech stovek miliard stupňů, což by byl vzhledem k měřením teploty povrchu absolutní nesmysl. S pomocí kvantového tunelování objasnil v roce 1928 George Gamow, vynikající fyzik ukrajinského původu později působící ve Spojených státech, princip rozpadu alfa a v dalších letech se tento jev stal základem pro úvahy o fúzi jader.

Jádra tedy musí mít dostatečnou energii, aby pravděpodobnost tunelování měla rozumnou hodnotu. Energie částice v plynu či plazmatu (prozatím si vystačíme s tím, že plazma je částečně nebo úplně ionizovaný plyn) je přímo úměrná teplotě, nezbývá tedy než fúzní palivo zahřát na určitou hodnotu teploty, která konkrétně pro reakci deuteria s tritiem činí asi 150 milionů stupňů Celsia. Tato obrovská hodnota podněcuje mnoho otázek –  Jak jí vůbec dosáhneme? A když už jí dosáhneme, nezničí tak horké plazma celý reaktor?

Několik snímků plazmatických výbojů v korejském experimentálním fúzním zařízení typu tokamak.
Několik snímků plazmatických výbojů v korejském experimentálním fúzním zařízení typu tokamak.

Odpověď na obě otázky opět není úplně jednoduchá a musíme si kvůli ní uvědomit, že naše běžná každodenní zkušenost je poněkud svazující. Samotná teplota plazmatu totiž nese informaci jen o střední rychlosti částic, ale o celkové energii rozhoduje počet takových částic. Jinými slovy: to, že je něco horké, ještě zdaleka neznamená, že nás to spálí. Pokud je toho málo, nemusí nám to udělat vůbec nic. Přestože většina z nás teď musela přehodnotit svůj pohled na teplotu, můžeme najít příklad i v běžném životě – setkáváme se s tím, že na nás z ohně vylétne jiskra, která na kůži bez újmy na našem zdraví zhasne, přestože měla mnoho stovek stupňů Celsia. Pokud tedy pracujeme s horkým plazmatem, stačí omezit počet částic, které dopadají na stěnu reaktoru. To můžeme částečně zajistit nízkou hustotou plazmatu, případně tím, že zabráníme většině částic dospět ke stěnám reaktoru s pomocí nějaké síly (například magnetické, viz některý z příštích dílů).

Pokud jde o ohřev, jednou z často používaných, ale nedostačujících metod, je vedení velkých proudů plazmatem. Účinnost této metody ale s rostoucí teplotou klesá, neboť plasma vede proud s rostoucí energií čím dál lépe a uvolněné Joulovo teplo se snižuje. Úplně jinou možností je stlačení a ohřev palivové kapsle pomocí laseru nebo svazku částic, v takovém případě hovoříme o inerciální fúzi (opět viz jeden z následujících dílů). Systémy ohřevu dnes tvoří velmi důležitou a nákladnou složku fúzního výzkumu.

Během dvacátého století se kromě termojaderné fúze (fúze dosahovaná pomocí vysokých teplot), objevila i široká škála nápadů, jak tento zdroj energie zpřístupnit jednodušším způsobem. Bohužel žádný z nich nefunguje tak účinně a spolehlivě, abychom mohli jen uvažovat o tom, že by na takovém principu někdy mohla fungovat produkce energie.

Po přehlídce peripetií, překážek a složitých řešení si ale pojďme shrnout, co všechno nám fúze může nabídnout.

Velkým plusem je určitě zásoba a dostupnost paliva. Pokud budeme uvažovat reakci deuteria s tritiem, můžeme počítat se zásobami paliva na mnoho tisíc let. Izotop deuterium je přítomen v mořské vodě sice pouze v množství 0,016 %, ale při rozloze světových oceánů a malé spotřebě paliva při fúzi se jedná o téměř nevyčerpatelný zdroj. Druhý izotop tritium můžeme vyrábět přímo ve fúzním reaktoru, neutron vznikající při reakci deuteria a tritia totiž může reagovat s lithiem a vytvářet další jádra tritia. Lithium je alkalický kov, který je v různých sloučeninách na Zemi poměrně běžný. Vzhledem k radioaktivitě tritia by tento způsob výroby byl nejvhodnější, vylučuje totiž veškerou přepravu nebezpečného materiálu a tím pádem by fúzní energetika byla ještě o něco bezpečnější.

Dalším z problémů štěpných reaktorů, kterým fúze netrpí, je jaderný odpad. Vznikající jádra nejsou radioaktivní, hélium je navíc chemicky stále a neznamená žádné ekologické riziko.

Bezpečnost samotného reaktoru je také zajištěna. Fúze může být energeticky soběstačná, v takovém případě hovoříme o tzv. „zapálení“, ale na rozdíl od štěpení je takový „kritický stav“ stabilní (při zvýšení teploty četnost reakcí klesá) a navíc je palivo doplňováno postupně, takže v žádném případě nehrozí, že by se reakce jakkoliv vymkla z rukou. Nejhorší věcí, která se může stát je, že plazma se kontaktem se stěnou „zhasne“. Tímto způsobem dnes běžně končí většina experimentů.

Možnost doplňovat palivo podle potřeby za běhu zařízení je také sama o sobě velkou výhodou. Ve štěpném reaktoru se používá pevné a nákladně konstruované palivo, které stráví v reaktoru dobu v řádu několika let. Srovnáme-li v tomto ohledu štěpný reaktor s fúzním, je to podobné, jako když srovnáme obyčejný uhelný a plynový kotel. Druhý z nich je velmi oblíbený právě pro možnost plynulé regulace přívodu paliva a tedy i spotřeby a výkonu.

Ve srovnání s obnovitelnými zdroji energie si fúze také nevede špatně. Jak už jsme zmínili výše, pro životní prostředí nepředstavuje téměř žádnou zátěž. A na rozdíl od obnovitelných zdrojů není závislá na počasí.

Reakce deuteria a tritia (D-T) byla vybrána pro svou relativně nejsnazší dosažitelnost. V budoucnu ale možná dostanou šanci i další, tzv. pokročilé fúzní reakce, které mohou přinést mnohé další výhody a odstranit i problémy, které reakci D-T provázejí (nakládání s tritiem, pronikavé neutrony). V ideálním případě by dokonce bylo možné vyřadit onu chronickou nemoc většiny současných elektráren – tepelný cyklus s velmi omezenou účinností – a přetvářet energii nabitých fúzních produktů přímo na energii elektrickou. To je ovšem hudba velmi, velmi daleké budoucnosti.

Tak to je ona, fúze – naděje, ke které se upínáme. Problémy na cestě k ní jsou dnes už spíš inženýrského charakteru, ale jsou to ty největší výzvy, před kterými člověk dosud stál. Přesto (nebo spíš právě pro to) by tato cesta měla dostat šanci. Je to běh na dlouhou trať, po které se nám s každým dalším rokem výzkumu běží snáz, pokud se ale chceme dostat do cíle, nesmíme v tomto závodě zpomalit.

Autor: Ondřej Ficker

1 Comment

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..