Zdroje energie v budúcnosti: Jadrová fúzia

Jadrová fúzia je pravdepodobne najnádejnejším budúcim energetickým zdrojom našej civilizácie. Akými cestami sa jej vývoj uberá? 

Riešením energetickej a environmentálnej krízy je vyvinutie a nasadenie nových typov elektrárni. Veterné, vodné aj solárne elektrárne, ktoré vytvárajú tzv. čistú a obnoviteľnú energiu, majú na životné prostredie relatívne malý dopad, ak nepočítame ich umiestnenie v prírode. Hydroenergetický potenciál je vo vyspelých krajinách takmer vyčerpaný. Nevýhodou slnečných a veterných zdrojov je ich malá energetická účinnosť. Museli by sme ich vyrobiť enormné množstvá a miesta je v prírode málo, na údržbu oba zdroje taktiež nie sú najlacnejšie.

Hľadanie nových zdrojov energií

Preto sa vývoj čoraz viac zameriava na nájdenie nových zdrojov lacnej energie. Atómové elektrárne, fungujúce na princípe štiepenia ťažkých a nestabilných jadier Uránu a iných typov transuránových prvkov zas narážajú na probémy s odpadom a bezpečnosťou a aktuálne je verejná mienka v mnohých krajinách naladená voči nim negatívne. Opačným procesom k štiepeniu (rozbíjaniu jadier) je fúzia (spájanie) ľahkých prvkov na ťažšie. Pri tomto procese sú problémy s odpadom menšie a zdroje ich paliva sú v podstate nevyčerpateľné. Palivo do týchto fúznych elektrárni je ľahko dostupné, pretože je ním ťažký vodík (deutérium). Na 6500 atómov Vodíka pripadá jeden atóm Deutéria a Trícia.

Čo je to jadrová fúzia

Na vysvetlenie tohto pojmu a ako ukážku ohromného potenciálu fúzneho procesu nemusíme chodiť ďaleko. Doslova žiarivým príkladom je naše Slnko. Fúzia prebieha v jadre našej hviezdy už pár miliárd rokov. Pri fúzii sa z ľahších prvkov Vodíka sa vytvárajú ťažšie prvky ako je Hélium.

Znie to jednoducho, ale je tu jeden zásadný problém. Na to, aby sa ľahký Vodík premenil na ťažšie Hélium je potrebné atómy vodíka stlačiť k sebe neuveriteľne blízko, tak aby ich silná jadrová sila spojila. Keďže obe jadrá sú pozitívne elektrický nabité tak sa odpudzujú (čím bližšie ich k sebe budeme tlačiť, tým silnejšie sa budú odpudzovať). Jadrová silná interakcia pôsobí príťažlivo no len na veľmi krátku vzdialenosť. Preto potrebujeme dostať jadrá k sebe dostatočne blízko, aby vplyv silnej interakcie prevážil odpudzovanie elektromagnetickej interakcie. Problémom je, že sa to ťažko uskutočňuje. Je na to potrebná ohromná teplota, rádovo milióny Kelvinov. Takéto teploty je potrebné vyvinúť na to, aby sme prekonali odpudivé elektrické sily medzi jadrami.

Tokamak

Naštartovať kontrolovaný fúzny proces bol ešte pred pol storočím problém (nekontrolovaný fúzny proces prebieha pri výbuchu vodíkovej bomby). Potom dvaja ruskí fyzici vymysleli úplne nový koncept reaktora, na ktorého princípe fungujú všetky moderné testovanie reaktory. Hovoríme o Tokamak reaktoroch, koncepte pochádzajúcom z 50. rokoch minulého storočia z hláv Igora J. Tammema a A. Sacharova. Tokamak je reaktor, ktorý udržiava horúcu plazmu v ktorej prebieha fúzny proces levitujúcu v toroidálnom (kruhový prstenec) magnetickom poli. Milióny stupňov horúcu plazmu nie je možné takpovediac naliať do žiadnej nádoby keďže takéto teploty nevydrží žiadny známy materiál. Preto vedci a konštruktéri prišli na spôsob, ako túto plazmu udržať v komore bez toho, aby sa musela dotýkať jej stien. Odpoveď prišla v podobe vhodne usporiadaného magnetického poľa vytvoreného za pomoci veľkých supravodivých cievok. Supravodivosť je jav, pri ktorom dochádza k zníženiu elektrického odporu vo vodiči na nulu. Deje sa tak ale pri extrémne nízkych teplotách, tesne nad absolútnou nulou. Zásadná výhoda supravodivých magnetov (cievok) je tá, že môžeme vytvárať enormne silné magnetické pole, ktoré spotrebuje oveľa menej energie v porovnaní s bežnými cievkami. Tieto cievky tak potom vytvárajú dostatočne silné magnetické pole, ktoré udržuje extrémne horúcu plazmu v bezdotykovom stave s prostredím reaktora. Magnetické pole vo vnútri komory vytvára siločiary, od ktorých sa potom odráža ionizovaná plazma.

Plazma v toroidálnom magnetickom poli tokamaku.

Plazma a reaktory

Plazma je štvrté skupenstvo hmoty. Je to ionizovaný plyn zložený z elektrónov iónov, ktoré vznikli odtrhnutím elektrónov z elektrónového obalu atómu. Vo vesmíre tvorí plazma až 99% viditeľnej hmoty. Rozlišujeme dva teplotne zahriate stupne plazmy a to nízko a vysokoteplotnú plazmu. Nízkoteplotný stupeň môžeme dokonca pozorovať aj v domácich podmienkach. V prípade žiarivky sa vlastne pozeráme na ionizovaný plyn, na plazmu. Vysokoteplotná plazma vzniká vo hviezdach alebo v experimentoch s riadenou fúziou ako je Tokamak. Plazma sa napríklad používa aj v horákoch v kovovýrobe pri rezaní súčiastok alebo na dezinfekciu lekárskych nástrojov.

Zatiaľ najvýkonnejší Tokamak reaktor nesúci meno JET vyrábal 16MW (megawatt) energie po dobu jednej sekundy. Avšak bol stratový, pretože si bral na svoju prevádzku viac energie než dokázal vyrobiť. Prvý bezstratový reaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), medzinárodný projekt rodiaci sa v južnom francúzsku by mal vyrábať približne 500MW energie pri zážihu horiacej plazmy po dobu 500 sekúnd pri príkone len 50MW. To znamená, že účinnosť sa vyšplhá až k 90% (pomer dodanej a vydanej energie je 1/9). Objem reaktoru je 840 metrov kubických. Ako palivo má slúžiť 0,5 gramov zmesi Deutéria, čo je ťažký Vodík doplnený o jeden Neutrón (Vodík sa skladá len z jedného Protónu a Elektrónu) a Trícia, čo je rádioaktívny izotop vodíku a obsahuje jeden Protón a dva Neutróny, čo je o jeden Neutrón viac ako v prípade Deutéria a dva Neutróny viac v prípade bežného vodíku.

JET reaktor.

Ak sa pozrieme do minulosti, všetky moderné reaktory vychádzajú z návrhu fúzného reaktora T-15, ktorý ako prvý na svete používal na riadenie plazmy supravodivé magnety. Od roku 1996 až po rok 1998 boli na ňom testované série vylepšení, ktoré budú použité pri stavbe ITERu. V roku 2006 zaznamenal prvý veľký úspech s riadenou fúziou japonský reaktore JT-60, ktorému sa podarili dva veľké úspechy v oblasti riadenej fúzie. Po prvé reaktor udržoval riadenú jadrovú fúziu celých 28,6 sekundy a po druhé, čo je ešte dôležitejšie, podarilo sa mu vygenerovať viac energie ako bolo dodanej do systému. JT-60 nám všetkým ukázal, že je možné využiť silu jadrovej fúzie na výrobu energie, ktorá sa dá ďalej distribuovať po elektrickej sieti. Zaujímavé na tomto reaktore ešte je, že používa ako palivo menej využívanú zmes D-D (Deutérium – Deutérium). Nevýhoda tohto riešenia je, že fúzia prebieha pri vyššej teplote, ale menej intenzívne ako pri zmesi Deutérium – Trícium, kde pri menšej teplote už prebieha fúzia ktorá je intenzívnejšia.

Ďalším evolučným krokom po projekte ITER, za predpokladu, že všetko dopadne ako má, by mala byť prvá fúzna elektráreň. Nebude ešte využívaná na distribúciu elektrickej energie pre súkromný sektor (napr. bytové komplexy) ale na otestovanie. Bude slúžiť na demonštráciu sily fúzie, výstižný názov DEMO (DEMOnstration Power Plant) to len potvrdzuje. Dočkať by sme sa jej mali približne o 30 rokov, ale dovtedy sa môže stále veľa zmeniť. Termín sa môže posúvať oboma smermi. Objav s ktorým prišli vedci z MIT, ktorí prišli na to, ako účinne riadiť tok plazmy v reaktore za pomoci rádiových vĺn môže priblížiť dobu fúznych elektrárni.

Alebo sa objaví nový koncept, ktorý predbehne klasický Tokamak koncep.

Laserová fúzia

Laserová fúzia, znie to pekne a verte, že pod týmto názvom sa skrýva mimoriadne ambiciózny projekt. Ide o veľmi zložitý stroj plný laserových lúčov. Projekt v NIF (National Ignition Facility), ktorý začal fungovať v roku 2009 obsahuje 192 laserov, ktoré sa neuveriteľne presne musia trafiť do malého milimetrového terčíka, ktorý obsahuje zmes fúzného paliva (Deutérium – Trícium). Funguje tak, že sa presne zosynchronizované lasery naraz spustia a trafia terčík sústrediac naň 15 nanosekúnd dlhý „výstrel“ alebo pulz ak chcete. To stačí na to, aby sa tento terčík zahrial na neuveriteľných 3,3 miliónov stupňov Celzia. Najmenšia „hviezda“ je tak na svete. Laserová konfigurácia vysiela energetické pulzy o energiách okolo 1,2MJ, pričom ich maximálna kapacita siaha až k 1,8MJ. V budúcnosti chcú vedci ísť ešte ďalej, cieľom je zahriať terčík zmrazený na mínus 253 stupňov pod nulou, tentokrát obsahujúci aj Berýlium, na viac ako 100 miliónov stupňov Celzia a tlakom milión krát väčším ako má atmosféra Zeme na jej povrchu. Podmienky, ktorými doteraz vládli len hviezdy a obrovské zhluky hmoty vo vesmíre, má ľudské pokolenie na dosah.

Laserová fúzia. Modré šípky reprezentujú radiáciu (laserové žiarenie),  oranžové výbuch, fialová termálnu energiu smerujúcu dovnútra terčíka.

1. Laserové lúče rýchlo zohrejú povrch fúzneho terčíka, vytvoriac okolo terčíka plazmovú obálku.
2. Palivo je stlačené výbuchom horúceho povrchového materiálu
3. Počas poslednej fázy implózie terčíka dosiahne palivo 20 násobnú hustotu olova a zohreje sa na 100 miliónov stupňov Celzia.
4. Termonukleárna reakcia sa rýchlo rozšíri stlačeným palivom pričom vyprodukuje násobne viac energie než bolo do procesu vložené.

192 laserov National Ignition Facility.
 

... a toto je terčík, mikrokapsula na ktorý 192  laserov National Ignition Facility mieri.

Generalfusion

Silu zvukových vĺn využíva projekt s názvom generalfusion, kde sa používa rázová zvuková vlna na stlačenie plazmy do centra gule, v ktorej je iniciovaný fúzny proces.
 

Kompresia plazmy sférickou zvukovou rázovou vlnou. Credit: Generalfusion

1. Piesty nárazového valca a akustická rázová vlna sa začína pohybovať smerom k centru gule.
2. Rázová vlna stlačí dutinu víru do stredu gule.
3. Akustická rázová vlna stláča zmagnetizovanú horúcu plazmu do centra gule a štartuje (iniciuje) fúziu.
4. Fúzna reakcia vysiela Neutróny k lítiovým stenám, ktoré v svoju kinetickú energiu premieňajú na teplo.

Nefúzne jadrové obzory

Medzi ďalšie projekty snažiace sa o riešenie energetickej krízy patrí projekt TWR (Traveling Wave Reactor). Reaktor vyvíja americký tým, vedný fyzikom Johnom Gillelandom, zo spoločnosti TerraPower. Nemalú čiastku do tohto projektu investoval aj Bill Gates. Reaktor pracuje na princípe postupnej vlny, jeho hlavnou výhodou je, že na naštartovanie štiepného procesu potrebuje veľmi málo paliva a na udržiavanie mu stačí prírodný Urán alebo už použité (vyhoreté) palivo z jadrových elektrárni. Je to výhodné, pretože namiesto toho aby sa vyhorené palivo z jadrových elektrárni draho uskladňovalo pod zemou a bolo potenciálne nebezpečné pre náš ekosystém, nájde svoje energetické využitie. Reaktor je modulárny a preto sa jeho malé verzie dájú použiť aj pre malých spotrebiteľov. Navyše, palivo v ňom netreba meniť aj viac ako 50 rokov.

Záver

Nedávno sa vo fúznom svete odohrala dôležitá udalosť, pravdepodobne dôležitý krok vo výskume fúzie, keď sa dve veľké labolatória zaoberajúce sa fúziou spolu fúzovali. Ide konkrétne o AWE (Atomic Weapons Establishment) a LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory). Je to dobré znamenie a spolupráca hádam prinesie nové a hlavne pozitívne správy do budúcnosti. Fúzia nám ukazuje, ako využiť samotnú podstatu existencie hmoty (väzbovú energiu, ktorá drží jadrá atómu pohromade) na výrobu energie pre milióny ľudí na celom svete. Táto technológia ešte len čaká na úplné využitie potenciálu, ktorej výsledky budú slúžiť ľudskému pokoleniu mnoho rokov k spríjemneniu a uľahčeniu života.