Nahradí fúzní reaktory současné elektrárny?

Ing. Milan Řípa, CSc., Ústav fyziky plazmatu AV ČR

Alternativní medicína, alternativní pedagogika, alternativní partnerství, alternativní energie. Spojení nabízí rádoby lepšího zástupce již zavedeného, tradičního a údajně horšího originálu. Zatímco v prvních případech se alternativní variantě moc nevedlo, alternativní energie, kterou se rozumí především obnovitelné zdroje energie (OZE), je dnes už tak rozvinuté hospodářství, že adjektivum "alternativní" tu pomalu, ale jistě, ztrácí svůj význam.

OZE dnes už dávno nejsou popelkou ve výrobě energie, nýbrž představují významnou složku energetické ekonomiky. V některých státech dokonce rozhodující. O tom, zda OZE v budoucnosti plně nahradí tradiční tepelné či atomové elektrárny, lze diskutovat, ovšem, že budou spolu s úsporami významných doplňkem standardní výroby elektřiny, je jasné už dnes.

Existuje vůbec způsob výroby elektřiny, který by mohl v plné míře nahradit současné tepelné, respektive atomové elektrárny? Existuje alternativa tradičním soustředěným zdrojům energie?

Existuje a je to fúze jader lehkých atomů. Zatímco v současných atomových elektrárnách se jaderná energie uvolňuje štěpením nestabilních jader těžkých atomů, zejména izotopu uranu 235U92. Pokud bychom se spoléhali na zásoby 235U92, pak se pohybujeme v řádech stovek let, což odpovídá době vyčerpání zásob fosilních paliv. Intenzivně se vyvíjí reaktory IV. generace, které budou využívat mnohem rozsáhlejší zásoby 238U92 a thoria 232Th90, což by posunulo dobu vyčerpání suroviny na tisíce let.

Jak štěpné reaktory IV. generace, tak reaktory fuzní by měly být podle současných plánů spuštěny ve druhé polovině tohoto století.

Inspirací pro fúzní reaktory je nám nejbližší hvězda - Slunce. V jeho nitru probíhá jaderná fúze více jak čtyři miliardy let a zhruba stejnou dobu ještě probíhat bude. Okopírovat procesy v nitru Slunce na Zemi dost dobře nelze, neboť rozhodující roli pro úspěšné fuzní doutnání Slunce hraje jeho bezkonkurenčně obrovská hmotnost. Nicméně existují fuzní reakce, které lze na Zemi uskutečnit, a to dokonce s využitelným energetickým ziskem. Například pro výrobu elektrické energie.

Usilování o jadernou fúzi

Zajímavé je, že první, kdo se pokoušel o jadernou fúzi, byli protagonisté tak zvané studené fúze již v roce 1926. V obecném podvědomí utkvěl však až rok 1989, kdy Fleischmann a Ponss s velkou slávou pozvedli vlajku studené fúze, aby se zhruba každé dva až tři následující roky objevil "zásadní zlom" ve výzkumu jejich "objevu". Ono se těžko dokazuje, že něco nelze, a tak výzkumy studené fúze, dnes pod názvem LENR (Low Energy Nuclear Reaction) pokračují. Diverzita je matkou pokroku, takže proč ne.

V roce 1934 Ernest Rutherford spojil jádra deuteria, když energii potřebnou k překonání odpudivých elektrostatických sil dodal pomocí lineárního urychlovače. Tehdy se nositel Nobelovy ceny nechal slyšet, že každý, kdo by uvažoval o průmyslovém využití jaderné energie, je nenapravitelný snílek.

Seriózní výzkumy fuzní energie za účelem civilního využití začaly ve čtyřicátých letech v Sovětském svazu, Spojeném království a ve Spojených státech amerických. Obrovským lákadlem byla surovinová nevyčerpatelnost, vnitřní jaderná bezpečnost, ekologičnost fúze: uvažovaná slučovací reakce deuteria a tritia (DT) - izotopů vodíku - je surovinově neomezená; na rozdíl od štěpného reaktoru je ve fúzním reaktoru v každém okamžiku palivo hmotnosti poštovní novinové známky a jakákoli nestandardní situace okamžitě reakci zastaví bez znatelného poškození reaktoru - nejde o řetězovou reakci, neexistuje tu pojem kritického množství; deuterium není radioaktivní, slabě radioaktivní tritium si bude reaktor vyrábět sám - heliový "popel" není skleníkovým plynem.

Nepříjemný je druhý produkt reakce DT. Neutrony narušují pevnost konstrukčních materiálů a způsobují jejich sekundární radioaktivitu. Nepříjemné, nikoli fatální. Fúze je nezávislá na počasí a elektrárnu můžete postavit v místě spotřeby. Sluneční fúze je pramátí prakticky všech zdrojů energie na Zemi, fosilními počínaje a obnovitelnými konče. Dost důvodů proč se o fúzi zajímat!

Od Rutherfordových pokusů ve třicátých letech předběhlo uvolňování jaderné energie fúzí štěpení jader. Jak ve vojenské, tak v civilní oblasti. Když byla odpálena fuzní jaderná nálož v roce 1952, odborníci čekali na základě analogie se štěpnou jadernou reakcí, že se fuzní elektrárna objeví do deseti, maximálně do dvaceti let. Nestalo se tak. Co je příčinou zdánlivě dlouhých výzkumů, na jejichž konci by měl být zdroj energie, jaký lidstvo dosud nepoznalo?

Z lidského hlediska je jasné, že zvládnutí něčeho tak ideálního, jako je fuzní energie, nebude snadné. Z fyzikálního hlediska je třeba přiblížit dvě souhlasně nabitá a tudíž elektrostaticky se odpuzující jádra na vzdálenost, kdy začnou působit přitažlivé jaderné síly a dojde k fúzi jader. Kinetickou energii potřebnou k překonání potenciální bariéry lze dodat jádrům dvěma způsoby. Usměrněnou urychlovačem a chaotickou ohřátím. Z hlediska energetického zisku se zdá, že k cíli povede druhý způsob, a proto se hovoří o termojaderné fúzi.

Látka při termojaderných teplotách je ve stavu plazmatu. Zjednodušeně lze říci, že plazma je ionizovaný plyn, to je substance složená z nabitých a neutrálních částic. Právě fyzika vysokoteplotního plazmatu - teoretický základ pro první fúzní experimenty - neexistovala. Ke svému vývoji na druhou stranu potřebovala relativně rozměrná a tudíž nákladná zařízení, . která vyžadovala teoretické zdůvodnění - vznikl začarovaný kruh.

Na fúzi je tokamak

Termojaderné teploty dosahují hodnot stovek miliónů stupňů. Takové teploty lze izolovat od stěn reaktoru pouze silovými poli. Prakticky jediným použitelným polem je pole magnetické. Vhodné konfigurace magnetického pole se nazývají magnetické nádoby. V průběhu let se nejlepší magnetickou nádobou ukázala konfigurace zvaná tokamak. Slovo ruského původu značí "toroidálnaja kamera i magnitnyje katuški" - toroidální komora a magnetické cívky. Tokamak je transformátor do jehož primárního vinutí se vybije elektrický výkon, který se zkratuje v jediném sekundárním závitu.

Elektrický proud zkratového výboje plazmu jednak ohřívá Jouleovým teplem a jednak spoluvytváří magnetickou nádobu. Tato dvojrole je geniálním nápadem pánů Sacharova a Tamma. Tokamak tvoří celá řada soustav magnetických cívek s nejrůznějším účelem - většina z nich je z důvodů kladné energetické bilance tokamaku ze supravodivého materiálu. Plazma se na termojaderné teploty doohřívá mikrovlnami a svazky rychlých neutrálních částic. Tokamakové plazma se stalo hybnou silou rychlého rozvoje fyziky vysokoteplotního plazmatu.

V současné době funguje na světě kolem stovky tokamaků nejrůznějšího určení, z nichž nejdůležitější desítku vlastní Německo, Francie, USA, Japonsko, Čína, Jižní Korea a Rusko. Česko bylo jedinou z deseti zemí přistupujících v roce 2004 do EU, která měla tokamak. Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze je snad jediná universita na světě, která pro studenty provozuje jak štěpení atomových jader (reaktor Vrabec) a slučování (tokamak Golem). Ústav fyziky plazmatu AV ČR,v.v.i. má moderní tokamak COMPASS. Výjimečné postavení zaujímá na světě největší tokamak JET, který Evropská unie provozuje v anglickém Culhamu poblíž Oxfordu. Američané svým TFTR "jednou" vystřelili v roce 1992 a vzápětí ho rozmontovali. JET je tak jediným tokamakem schopným pracovat se směsí deuteria a tritia. V roce 1997 uvolnil 16 MW fuzní energie, což představovalo 65 % příkonu. Růst velikosti tokamaků není rozmar výzkumníků, nýbrž se tak zvětšuje doba udržení energie potřebná pro úspěšné fungování fúze.

Všechny tokamaky svůj program podřizují rodícímu se mezinárodnímu projektu - tokamaku ITER. Evropská unie a dalších šest států - Rusko, USA, Čína, Japonsko, Jižní Korea a Indie - staví dvakrát větší tokamak než JET ve francouzském Cadarache, sto kilometrů severně od Marseille. ITER poprvé uvolní více fuzní energie, než bude jeho příkon, a to desetkrát. Poprvé je u tokamaku kladen větší důraz na výzkum technologie, než na studium fyziky. ITER bude mít největší objem čerpaný na technické vakuum a největší supravodivý magnet na světě. Gradient teploty, kdy na několika málo metrech stoupne teplota od absolutní nuly k 200 miliónům stupňů, se také hned tak nevidí. Bude-li ITER úspěšný, pak se dokončí stavba demonstračního reaktoru DEMO, který bude vyrábět elektřinu a částečně prověří ekonomii fuzního reaktoru. Pokud se ani DEMO nesetká s principálními problémy, bude následovat stavba komerční fuzní elektrárny. Kdy? Začátkem druhé poloviny tohoto století?

Všimněte si prosím podmiňovacího "pokud"! Nikdo dnes nedokáže s jistotou říci, že tokamak bude úspěšný natolik, že se stane základem pro fuzní elektrárnu. Co se stane, když se v tokamaku zklameme? Existuje nějaká další možnost jak zachránit pro společnost termojadernou fúzí?

Fúzní strom je košatý

Samotná kategorie magnetických nádob, do které patři tokamak, má dalšího kandidáta. Stelarátor díky velkému počítačovému pokroku vstal doslova z mrtvých a dnes se staví velké supravodivé zařízení na severu Německa v Greifswaldu. Wendellstein WX-7 je zhruba na úrovni tokamaku JET osmdesátých let minulého století.

Obrovské finanční prostředky spotřebovává inerciální fúze, kde mikrovýbuchy termojaderného paliva iniciují mohutné lasery. Jedná se o "alternativní" přístup magnetickému udržení. Nedávno 192 laserových svazku vystřelilo energii větší něž 2 megajouly v Lawrencově národní laboratoři v Livermoru. NIF (Národní zapalovací zařízení) je pochopitelně držitelem světového rekorku. Dvěstěčtyřicetisvazkové zařízení dokončuje Francie nedaleko Bordeaux. Pozadu nezústavá kolébka laserové fúze - Rusko. Připravuje projekt 2,8 megajoulového laseru. Tato zařízení mají o finance postaráno, neboť mají vojenské využití.

Nesmíme ovšem zapomenout na hybridní reaktory, ve kterých fúze v jádru reaktoru slouží jako zdroj vysokoenergetických neutronů pro transmutaci podkritického množství jaderného odpadu štěpných atomových elektráren umístěných v obalu reaktoru. Existují ideje fúzní části na principu tokamaku i na principu laserové fúze. Konečně připravovaný ITER je svým způsobem hybridní reaktor. V centrální části vakuové komory bude probíhat fúzní reakce deuteria a tritia a v obalu obklopující termojaderné plazma budou neutrony štěpit lithium (a vyrábět tak tritium). Existují návrhy na využití produktů DT reakce - rychlých neutronů ve farmacii, strojním průmyslu apod. Viz firma Tokamak Solution z anglického Culhamu.
Jako lev číhá na svoji kořist, čekají na svoji příležitost otevřené systémy v čele s Z-machine v Sandia Laboratory. Nedávno tamní odborníci publikovali počítačovou simulaci, kdy při 60 megaampérech budou fúzi blízko, blizoučko. Nyní do drátěného válečku vybíjejí 27 mega a drží tak světový rekord ve výkonu rentgenového záření 300 TW.

Fúzní strom je košatý a ze samotného pně vyrůstá větev Inerciálního elektrostatického udržení (IEC). Pozor! Nezaměňovat za Inerciální udržení, což je laserová fúze, zatímco IEC je příkladem toho, že postulát o neziskovosti fúze pomocí urychlovače nelze brát doslova. Pokud použijeme sférický urychlovač místo lineárního, je tu další přístup, jak se domoci fúzních neutronů. Dokonce tak jednoduchý, že fusor staví "amatéři" včetně středoškolských studentů. Neutrony ano, energie ne. Zatím!

Studenou fúzí jsme začali a studenou fúzí skončíme. Existuje řada dalších až bizarních nápadů, jak přemoci obra zvaného řízená termojaderná fúze. K posledním patří humbuk kolem pánů Rossiho a Focardiho z Boloňské university, kteří údajně mají k dispozici modulární fúzní zdroj E-cat (Energy Catalysator) a fúzní elektrárna bude co nevidět ,respektive měla fungovat minulý podzim díky řecké firmě (!).

Odložme zábrany a pohleďme do budoucnosti

Úžasným vítězstvím by byly cívky z vysokoteplotních supravodičů. Očekávají se materiály odolnější než ocel, například na základě uhlíkových kompozitů. Náhrada reakce DT reakcí pB - jinak reakcí protonu s bórem, jejímž produktem jsou jen stabilní a nabité částice, přibližuje přímou přeměnu jaderné v elektrickou energii. A co pohon kosmických lodí směřujících dále než jen k Marsu?

Důležité je jedno. Tokamak není na své pouti za energeticky ziskovou fúzí sám, což zvyšuje pravděpodobnost úspěchu, i když v současné době se nikdo neodváží jakýkoliv v tomto článku jmenovaný nebo nejmenovaný princip jednoznačně favorizovat.

Na závěr ne zcela přesvědčivý avšak optimistický argument ve prospěch tokamaků zní takto: "Každá nová generace tokamaků přinesla nové problémy. Ovšem vždy se tyto problémy podařilo vyřešit!"

Velikán světové vědy, Lev Arcimovič prohlásil: "Termojaderná fúze bude, až ji lidé budou potřebovat!"

Chtěl říci, když lidé potřebovali eliminovat vítězství fašistického Německa v závodě o atomový primát, dokázali soustředit ekonomický a lidský potenciál a atomovou pumu vyrobili. V Los Alamos se do vývoje vodíkové nálože investovalo stokrát více než se vkládá do projektu ITER! Fúze bude zapotřebí, až z nejrůznějších důvodů nebude čím rozsvítit žárovku, byť bude šetřící!

Zdroj: Časopis Alternativní energie - www.alen.cz