Elektřina z fúze (I)

Poznámka redakce: Podle Ing. Bronislava Bechníka, Ph.D., vedoucího redaktora oboru Obnovitelná energie, s odkazem na publikaci Mezinárodní agentury pro atomovou energii, jaderná fúze není obnovitelný zdroj energie a nelze ani prokázat, že se jedná o zdroj udržitelný, více v článku Jaderná fúze není obnovitelný zdroj energie.

Obnovitelné zdroje

Obnovitelné zdroje mají mít z definice schopnost vlastní obnovy. Toto pojetí je z fyzikálního hlediska velice zjednodušené a některé obnovitelné zdroje se ve skutečnosti příliš neobnovují. Nejvíce je to zřejmé u fotovoltalických panelů. Sluneční energie se nijak neobnovuje a je závislá na fúzní reakci probíhající ve slunečním jádru, která nevratně spaluje fúzní palivo.

Podobným příkladem je geotermální energie. Aktuální technologické možnosti čerpání geotermální energie planetu Zem nijak významně neovlivní. Pokud by ale došlo k významnému technologickému pokroku, mohlo by intenzivní využívání geotermální energie vést k ochlazení zemského jádra s negativními celoplanetárními dopady.

Ani sluneční energie, ani geotermální energie v žádném případě nejsou „obnovitelné“ zdroje ve smyslu tohoto slova. Zvláště pozoruhodná je skutečnost, že podle §7 zákona č. 17/1992 Sb., O životním prostředí, jsou oba tyto zdroje definovány dokonce jako „neobnovitelné“, protože oba spotřebováváním zaniknou. Zákon neřeší časovou otázku, kdy zaniknou.

Vhodnější definice proto označuje jako obnovitelné takové zdroje, které se vyčerpají „za velmi dlouhou dobu“ a které lidstvo v rámci dosažené technologické úrovně není schopno využít tak, aby je vyčerpalo.

Fúzní jaderná reakce je v uvedeném smyslu nejdokonalejším obnovitelným zdrojem. Pro získání energie využívá pouze atomy lehkých prvků, dostupné v celém vesmíru, jejichž zásoba je prakticky nevyčerpatelná a jejichž spotřeba nemůže nijak ohrozit životní prostředí po tisíce let.

Udržitelná energetika

Mnohem přesnějším označením zdrojů, které mohou zajistit energii pro budoucí generace, je název „udržitelná energetika“. Jde o energetické zdroje, které nespotřebovávají omezené surovinové zdroje, jsou šetrné k životnímu prostředí a obecně je lze provozovat dlouhodobě bez negativních vlivů na životní prostředí a ekosystémy. Udržitelné zdroje energie využívají takové surovinové zdroje, které jsou v dlouhodobém horizontu rozvoje lidské společnosti nevyčerpatelné. Udržitelná energetika úzce souvisí s koncepcí trvale udržitelného rozvoje, která prosazuje hospodářský a společenský rozvoj bez poškozování životního prostředí.

Fúzní energie splňuje všechny požadavky, kladené na udržitelný energetický zdroj. Jako palivo pro fúzní reakce slouží lehké prvky, izotopy vodíku deuterium a tritium, jejichž množství je prakticky neomezené. V každém litru mořské vody se nachází 0,015 % deuteria s energetickou výtěžností přibližně jako 300 litrů benzínu. Celkem je v oceánech okolo 35 milionů tun deuteria. Tritium se v přírodě nevyskytuje, lze jej ale získat z jiného lehkého prvku – lithia. Celosvětové zásoby lithia jsou přibližně 10 milionů tun. Přitom palivová náplň energetického fúzního reaktoru bude při provozu pouhých několik desítek gramů paliva. Energetický fúzní reaktor DEMO o elektrickém výkonu 1 GW, stejném jako mají reaktory Temelínské jaderné elektrárny, spotřebuje přibližně 2 kg paliva za den. Pro srovnání, jaderný reaktor o stejném výkonu v Temelíně spotřebuje za den zhruba 60 kg paliva a tepelná elektrárna v Počeradech o stejném výkonu spálí za den kolem 20 000 tun uhlí.

Celosvětová roční spotřeba energie činí přibližně 5×1020 J. Pokud by se měla celá tato energetická spotřeba lidstva kompletně pokrýt fúzní energií, stačilo by ročně jen 11 600 tun fúzního paliva. To je méně než uvedená spotřeba paliva jediné tepelné elektrárny v Počeradech za 1 den. Zásoby fúzního paliva proto vystačí na tisíce let.

Fúzní zdroj energie

Na základě zkoumaní vlastností hmoty již dávno vědci odhalili, že atomy ukrývají mnoho energie. Jaderná energie je nesrovnatelně větší než chemická, která se uvolňuje při hoření nebo při výbuchu klasických výbušnin. To bylo také důvodem, proč první aplikace jaderné energie vedly k výrobě jaderných bomb a k jejich drastickému použití nad japonskými městy Hirošima a Nagasaki.

Velmi rychlý vývoj jaderných zbraní v obdobích II. světové války a následující studené války potvrdil, že je možné v praxi efektivně uvolňovat jadernou energii dvěma různými způsoby – štěpením jader atomů uranu a plutonia nebo slučováním jader atomů vodíku.

Schéma fúzních reakcí jader izotopů vodíku deuteria a tritia

Přibližné schéma fúzní bomby

Štěpení jader některých izotopů uranu a plutonia lze dosáhnout poměrně snadno, ale velikost uvolněné energie je relativně omezená. To vyplývá především z technických omezení velikosti reagujícího materiálu, který při dosažení tzv. kritického množství může samovolně explodovat. Naopak množství slučovaných jader izotopů vodíku lze teoreticky navyšovat bez omezení. Množství uvolněné energie při fúzní reakci je také několikanásobně větší než při štěpné reakci. Fúzní vodíkové bomby proto silou řádově překračují sílu bomb svržených na Hirošimu a Nagasaki. Nejsilnější vyzkoušená zbraň v historii lidstva, vodíková bomba nazvaná „Car“ (rusky „král“) o síle 57 Mt TNT, byla 4 300× silnější než uranová bomba svržená na Hirošimu.

Odlišnosti štěpného a fúzního zdroje energie

Základní rozdíly fúzního jaderného zdroje a štěpného jaderného zdroje energie jsou:

• fúzní zdroj nemůže samovolně explodovat,
• fúzní zdroj neprodukuje radioaktivní vyhořelé palivo,
• fúzní energie se uvolňuje ve všech hvězdách,
• fúzní zdroj je základní energetický zdroj celého vesmíru.

V uvedených souvislostech je fúzní zdroj nejdokonalejší a zcela přírodní zdroj energie.

Proč již dávno nevyužíváme fúzní energii?

Zapálení fúzní reakce štěpným výbuchem

Protože to prozatím neumíme. Podmínky vhodné pro průběh fúzní reakce jsou nesmírně náročné a vyžadují teploty 200 milionů stupňů a více. Na Zemi se podařilo doposud uvolnit velké množství fúzní energie pouze při testech vodíkových bomb, ve kterých jako roznětka sloužila jaderná štěpná bomba. Jen tak totiž bylo doposud možné vytvořit na Zemi podmínky pro zažehnutí fúzní reakce ve větším objemu paliva.

Bezpečnost fúzní energie

Ve společnosti je fúzní energie vnímána jako součást jaderné energie. To je z fyzikálního hlediska správně, avšak způsob získávání fúzní energie je zcela odlišný od získávání štěpné energie, stejně jako jeho možné důsledky. Fúzní zdroj je čistý a bez jakýkoliv teoretických nebo praktických bezpečnostních problémů. Je stejně bezpečný jako jiné obnovitelné zdroje a je nesrovnatelně čistší než zdroje spalující fosilní nebo štěpná paliva.

Základní fakta

• Fúzní zdroj energie používá jako palivo izotopy vodíku. Nevyžaduje uran nebo jiná radioaktivní nebo fosilní paliva.
• Po fúzní reakci nezůstává žádné vyhořelé palivo, produktem fúzní reakce je obyčejné a neškodné helium v minimálním množství.
• Fúzní reaktor při činnosti obsahuje pouze několik gramů až desítek gramů paliva, které v případě jakékoliv závady nepředstavuje žádné nebezpečí. Pokud by došlo k výpadku činnosti reaktoru, palivo neškodně dopadne na stěnu reaktorové nádoby.
• Podmínky fúzní reakce z principu neumožňují žádnou nekontrolovanou řetězovou reakci, proto není možný jaderný výbuch. Jakmile je například přerušeno elektrické napájení, dojde k okamžitému přirozenému zastavení reakce.

Jediná nebezpečí, související s fúzním zdrojem energie, jsou tritium, velice slabě β-radioaktivní izotop vodíku, používaný jako součást paliva, a sekundární radioaktivita konstrukce plazmové komory.

K odstínění záření tritia stačí 6mm vrstva vzduchu a technologie tritia bude podobná standardním chemickým provozům. Tritium se vyrobí v reaktoru a v reaktoru se také spotřebuje. Zpracování tritia proběhne v uzavřeném prostoru elektrárny. Nebude nutný žádný jeho transport mimo elektrárnu.

Sekundární radioaktivita, vyvolaná fúzními neutrony, bude omezena pouze na malou část konstrukce reaktoru, která bude bezprostředně obklopovat plazma. Množství aktivovaného materiálu bude natolik malé, že nebude problém jej po ukončení činnosti reaktoru bezpečně uložit.

Podmínky fúzní reakce

Siločáry magnetického pole při magnetickém udržení

Achillovou patou fúzního zdroje jsou náročné podmínky průběhu fúzní reakce. Z jedné strany je nezbytné dosáhnout a udržet velmi vysokou teplotu a hustotu paliva. Z druhé strany se ale těmto provozním podmínkám musí přizpůsobit konstrukce reaktoru.

Pro zapálení fúzní reakce je nutná teplota paliva přibližně 200 milionů stupňů a na zemi neexistuje žádný materiál, který by tak vysokou teplotu vydržel, aniž by se okamžitě vypařil. Železo má teplotu varu přibližně 2 750 °C, wolfram přibližně 5 550 °C. Potřebná pracovní teplota je tak více než 70 000× vyšší než teplota, jakou vydrží ocel.

Řešením je buď spoutat palivo magnetickým polem, kterému teplota nevadí, nebo stlačit a zahřát palivo tak rychle, že dojde k jaderné fúzi dříve, než se palivo protitlakem rozletí. První způsob se nazývá magnetické udržení a využívá různé mechanismy pro vytvoření vhodného magnetického pole. Druhý způsob se nazývá inerciální udržení a využívá ke stlačení paliva laserové nebo jiné energetické paprsky.

Projekt ITER

Řez fúzním reaktorem ITER (převzato z www.iter.org)

Vývoj fúzních zařízení je velice nákladný. Jestliže je vývoj obnovitelných zdrojů typu tepelných čerpadel, větrných generátorů nebo fotovoltalických panelů v možnostech středních a velkých firem, pak vývoj energetických fúzních zařízení mohou financovat jen velké státy nebo skupiny států. Typickým příkladem je projekt Mezinárodního fúzního reaktoru ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), jehož celkové náklady pravděpodobně přesáhnou 10 miliard euro.

Projekt ITER vznikl v roce 1985 dohodou Evropské unie, USA, tehdejšího SSSR a Japonska. Řada dalších zemí se do projektu zapojovala prostřednictvím signatářů dohody. Česká republika se tímto způsobem do projektu zapojila již v roce 1988 prostřednictvím spolupráce s výzkumnými centry v SSSR. V letech 2003 a 2005 se k projektu připojily Čína, Korea a Indie. V současnosti se tak projektu ITER účastní země, reprezentující více než polovinu celého lidstva. Název projektu „ITER“ v latině příhodně znamená „Cesta“.

Asociace EURATOM-IPP.CR

Česká republika se do výzkumu jaderné fúze v minulosti zapojovala především díky aktivitě pracovišť Ústavu fyziku plazmatu AV ČR v Praze a Ústavu jaderného výzkumu v Řeži. Ústav fyziky plazmatu AV ČR, ještě jako Ústav vakuové elektroniky AV ČR, zahájil výzkum jaderné fúze v roce 1959. Ústav jaderného výzkumu v Řeži se k výzkumu připojil v roce 1988.

Experimentální zařízení „Beryllium Sample Thermal Facility“ BESTH pro testování materiálů první stěny fúzního reaktoru v Centru výzkumu Řež (foto CV Řež)

Významným mezníkem bylo založení Asociace EURATOM/ IPP.CR v roce 1999, kdy se za úsilí Ústavu fyziky plazmatu stala Česká republika signatářem Evropské dohody o výzkumu fúze EFDA (European Fusion Development Agreement). Koordinátorem asociace je Ústav fyziky plazmatu AV ČR a dalšími členy jsou Centrum výzkumu Řež s.r.o., Ústav jaderné fyziky AV ČR, Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR, Ústav fyziky materiálů AV ČR, Ústav aplikované mechaniky Brno s.r.o., Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT a Matematicko-fyzikální fakulta UK.

Výzkum fyziky jaderné fúze byl historicky soustředěn v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, ve kterém byl od roku 1984 provozován malý tokamak Castor a od roku 2008 středně velký tokamak Compass D. Na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT byl v roce 2006 ve spolupráci s Ústavem fyziky plazmatu AV ČR otevřen obor Fyzika a technika termojaderné fúze, orientovaný na výchovu odborníků v oblasti jaderné fúze, a je zde pod označením Golem provozován modernizovaný tokamak Castor. Výzkum technologických otázek energetického využití jaderné fúze probíhal v Ústavu jaderného výzkumu v Řeži a v současnosti je soustředěn v Centru výzkumu Řež.

Projekt SUSEN

Aktuální stav výstavby Experimentální haly Centra výzkumu Řež v Plzni na Borských polích (foto CV Řež)

V roce 2011 byl Evropskou komisí schválen projekt Udržitelná energetika SUSEN (Sustainable Energy) Centra výzkumu Řež. Hlavním cílem projektu SUSEN je vybudování rozsáhlé experimentální infrastruktury dvou-regionálního centra výzkumu v oblasti dlouhodobě udržitelné energetiky. V Řeži a v Plzni vznikají špičková pracoviště zaměřená na klíčové segmenty jaderné energetiky včetně fúzních technologií. Součástí pracovišť budou unikátní experimentální zařízení pro cyklické namáhání modulů první stěny fúzního reaktoru a dalších komponent, které jsou v kontaktu s plazmatem, vysokým tepelným tokem, zařízení pro ověření a vývoj postupů dálkové manipulace s moduly blanketu fúzního rektoru TBM (Test Blanket Module) nebo generátor 14 MeV neutronů pro výzkum interakcí fúzních neutronů s konstrukčními materiály. Zprovoznění těchto zařízení je plánováno na rok 2015.

Další informace o jaderné fúzi naleznete v dalších dílech seriálu:
Elektřina z fúze (II) – fyzikální základy fúze
Elektřina z fúze (III) – reaktory ITER, HiPER a DEMO

Literatura

• [1] Řízená termojaderná syntéza pro každého, M. Řípa, V. Weinzettl, J. Mlynář, F. Žáček, ÚFP 2004
• [2] Fúze – energie vesmíru, G. McCracken, P. Stott, Mladá Fronta, 2006
• [3] K problematice blanketu termojaderného reaktoru, V. Šulc, S. Entler, Nukleon č. 4/1989

Související odkazy

• www.iter.org
• www.efda.org
• fusionforenergy.europa.eu
• www.cvrez.cz
• www.susen2020.cz
• www.ujv.cz
• www.ipp.cas.cz
• physics.fjfi.cvut.cz