Podle nejnovějších zjištění před námi není zrovna ideální budoucnost pokud jde o zdroje energie využívající fosilních paliv. Za pouhých 45 let budou zcela vyčerpány celosvětové zdroje ropy, jen o 15 roků je přežije zemní plyn.
Využití uhlí by mělo zůstat už ve vzpomínkách nejdéle za 250 let. Svět tedy musí spasit jiné způsoby výroby stále potřebnější energie. Jako nejoptimálnější se ukazuje ovládnutí termojaderné fúze.
Navíc při spalování fosilních paliv se do vzduchu dostává kromě oxidů síry a dusíku, způsobujících škodlivé kyselé deště, ještě značné množství oxidu uhličitého. Ten výrazně přispívá ke vzniku skleníkového efektu, příčině globálního oteplování. V budoucnu by to mohlo vést k tání arktických ledovců a hrozivému vzestupu hladin oceánů. Bezprostřední souvislost pak můžeme sledovat v častějších a prudších změnách počasí, nárůstu živelních pohrom.
Slabiny mají i obnovitelně zdroje
Odhlédneme- li tedy od využití uhlí, ropy a zemního plynu, známe i jiné možnosti řešení pomocí tzv. obnovitelných zdrojů energie. Bez ohledu na to, že samy o sobě nedokážou uspokojit požadavky na energii, žádný z nich není bez problémů,včetně ekologických: Elektrárny větrné jsou hlučné, vodní vyžadují zaplavení obrovských ploch. Při geotermální energii vyvěrají na zemský povrch těžké kovy. Také získávání energie ze slunečního záření pomocí fotovoltaických článků by značně pokulhávalo za vzrůstající poptávkou. Účastníci nedávného kongresu Světové energetické rady WEC (World Energy Council) v Tokiu potvrdili, že spoléhání se jen obnovitelné zdroje energie (vítr, voda, biomasa) je utopií a energetické problémy lidstva nevyřeší
Ani uran nemá budoucnost
Stále více se ukazuje že spásným andělem naděje nejsou ani jaderné elektrárny. Jaderná energie ze štěpných reaktorů, které jsou k atmosféře velice šetrné, je bohužel spojena s produkcí vysoce a dlouhodobě působícího radioaktivního odpadu. Navíc se zásoby uranu 235 U pro štěpné jaderné reaktory značně zmenšily, což úzce souvisí s jeho nehospodárným využíváním. Podle čerstvých oficiálních údajů z konce roku 2004 světové zásoby ekonomicky dostupných jaderných paliv bez recyklace paliva vystačí na necelých sto let, při recyklaci dnešními způsoby se doba prodlouží o polovinu. Ale co bude pak?!
Slunce je vzorem
Slunce zahřívá zemi po miliardy let – od jejího zrodu až do dnešních dnů. Bez stálého přítoku tepla z této hvězdy by se naše planeta proměnila v ledovou kouli bez života. Slunce získává energii ze slučování jader vodíků na hélium a těžší prvky. Tento proces se nazývá termojaderná fúze. Každou vteřinu se spotřebuje 600 milionů tun vodíku. (Pro představu to je stokrát více než hmotnost největších egyptských pyramid.) Přesto jde stále o zanedbatelné množství ve srovnání se zásobami vodíku, které jsou ve Slunci (2x 10 na třicátou kg!). Asi půl procenta hmotnosti vodíkového paliva Slunce se mění na energii a uniká z povrchu jako elektromagnetické záření. Z něj pouze zanedbatelnou část (10 na mínus desátou) vnímá i každý z nás pozemšťanů jako světlo a teplo. Přitom onen pouhý zlomek je zdrojem energie nejen pro život na Zemi, ale mj. rovněž pro veškerý koloběh vody.
Právě to se stalo žhavou inspirací pro vynikající vědce a inženýry. Tak se zrodila myšlenka uskutečnit řízené termojaderné slučování v pozemských podmínkách a využít tak plný potenciál termojaderné fúze.
Obyčejná voda dokáže zázraky?
Zmíněná fúze je ve své podstatě prazákladem většiny obnovitelných zdrojů energie na zeměkouli. Při ní je účinnost využití paliva 10 milionkrát větší než u všech chemických reakcí (včetně hoření). Spálení 2,5 milionu tun uhlí v klasické elektrárně se dá nahradit pouhými 500 kg vodíku ve fúzní elektrárně!
A jaké palivo je pro fúzní reaktor nejvhodnější? Experti předpokládají, že v budoucnu by to mělo být deuterium, což je izotop vodíku 2H; oproti „normálnímu“ vodíku 1H má v jádře kromě protonu ještě neutron. Kde je jeho zdroj? Nachází se v libovolné sloučenině obsahující vodík – například v obyčejné vodě! Deuterium, které tvoří asi 1/6000 všech vodíkových atomů, může z jednoho litru vody vyprodukovat energii srovnatelnou se 300 litry benzínu. Mohu to přiblížit na konkrétním příkladu: Energetickou potřebu České republiky by mohlo deuterium z Máchova jezera zajišťovat po neuvěřitelnou dobu sto let. Celosvětové zásoby paliva pro fúzní elektrárny by vystačily na desítky milionů let. Přitom jich je – na rozdíl od ropy – dost ve všech koutech Země.
První prorazí tritium
Pro první generace fúzních elektráren se uvažuje s využitím izotopu vodíku – tritia 3H(jádro obsahuje dva neutrony) jako druhé části paliva. Radioaktivní tritium by se však vyrábělo z lithia přímo ve fúzním reaktoru, kde se sloučí na stabilní vzácný plyn helium. (nepodílí se na skleníkovém efektu.)
Fúzní reaktor – na rozdíl od štěpného používaného v jaderných elektrárnách – bude absolutně bezpečný. Připomeňme, že zatímco ve štěpném reaktoru jsou desítky tun štěpného materiálu, jednorázová hmotnost fúzního paliva v reaktoru fúzním se dá počítat na pouhé gramy a postačí pro jaderné hoření jen na několik desítek sekund.
Kdyby výjimečně došlo k poruše, rychle se vše ochladí a slučovací reakce bleskově skončí. Výbuch fúzního reaktoru je zásadně vyloučen!
Můžeme tedy rozlišovat dva druhy jaderných elektráren – vedle štěpné atomové (známé třeba z Temelína) to budou novější termojaderné, kde je výroba energie založena na termojaderné fúzi. Existuje celá řada jaderných reakcí, při kterých se slučují jádra. Ovšem pouze jedna má zápalnou teplotu nejnižší. Jde o reakci těžkých izotopů vodíku – deuteria a tritia (odborně označované D-T reakce).
Plazma připomíná kouzelnici
Hmota zahřátá dokonce i na nejnižší zápalnou teplotu, tedy na zápalnou teplotu D-T reakce, se nachází ve stavu, kdy jsou všechny atomy ionizované. Jinak to lze vyjádřit tak, že záporně nabité elektrony a kladně nabité ionty se pohybují „nezávisle“. Tento stav hmoty se nazývá plazma. V uvedeném případě je to plazma plně ionizované.
Plazma jako ionizovaný plyn bývá nazývána čtvrtým skupenstvím hmoty a sehrává hlavní roli
Při mnoha důležitých procesech – jak v přírodě (včetně vesmíru), tak stále více ve vyspělých technologiích. Přitom chování hmoty ve stavu plazmatu je zcela odlišné od chování ostatních tří skupenství . Pozor: Ačkoli 99 % vesmíru je ve stavu plazmatu, na Zemi je plazma světlou výjimkou!
Magnet je tu hned
Ovšem ani tady není vše jednoduché: Podmínkou, aby termojaderná reakce vyprodukovala více energie, než kolik je jí zapotřebí vůbec k vytvoření plazmatu a jeho ohřevu, náhradě ztrát zářením a únikem částic z plazmatu, existují určité požadavky na hustotu plazmatu a teplotu (respektive na dobu udržení jeho energie).
Od toho se odvíjejí dva základní způsoby kladného zisku termojaderné reakce:
1. Inerciální udržení: Pokud máme velkou hustotu plazmy, postačí krátká doba udržení (10 na minus 10 s). (Inerciální fúzi lze přirovnat k miniaturnímu výbuchu vodíkové bomby.)
2. Magnetické udržení: Při malé hustotě plazmy potřebujeme dlouhou dobu udržení (v řádu několika sekund).
Pro potřeby termojaderného reaktoru mnohem více vyhovuje magnetické udržení, které pracuje s vnějším magnetickým pole. Jeho siločáry totiž ovlivňují pohyb nabitých částic.
Jak na to jde TOKAMAK?
Z principu magnetického udržení vychází i TOKAMAK. (Je to zkratka ruských slov Toroidalnaja Kamera i Magnitnyje Katuški = toroidální komora a magnetické cívky.) TOKAMAK je jedním z nejslibnějších typů zařízení pro uskutečnění řízené termojaderné fúze, v budoucnu i stavby fúzní elektrárny. Jeho koncepce se zrodila již období let 1950 – 52 v bývalém Sovětském svazu zásluhou týmu ruského fyzika Andreje Sacharova – duchovního otce sovětské vodíkové zbraně.
Tokamak si můžeme představit jako dutou prstencovou komoru (jakousi nafouknutou pneumatiku automobilu) naplněnou horkým vodíkovým plynem, která je obklopena magnetickými cívkami a transformátorovým jádrem. (Lepší představu si uděláte díky nákresu.)
Tady vzniká plazma. Termojaderných teplot řádu stovek milionů stupňů Celsia potřebných k tomu, aby se jádra začala slučovat na helium za uvolnění velkého množství energie, se musí dosáhnout bezkontaktním ohřevem. Proč? Veškeré látky jsou totiž již při teplotách okolo deseti tisíc stupňů plynné.
Tokamaky využívají princip transformátoru, kde komora s plynem tvoří jediný závit jeho sekundárního vinutí. Vybitím kondenzátorové baterie( u malých přístrojů, u velkých se používá setrvačník či přímo rozvodní síť) do primárního vinutí, se elektromagnetickou indukcí vybudí proud v sekundárním vinutí, kterým je plyn uvnitř prstencové komory. Během jedné milisekundy se dosáhne teploty miliónů stupňů a zprvu jen slabě ionizovaný vodíkový plyn se změní v plně ionizované plazma tvořené směsí elektronů a atomových jader.
Jak se vzrůstající teplotou klesá elektrický odpor plazmatu, začíná být induktivní ohřev neúčinný. Tehdy nastupují další metody ohřevu – například založené na absorpci elektromagnetického vlnění v ohřívaném médiu. (Obdobný princip využívají i mikrovlnné trouby.).
Zcela odlišným přístupem je vstřik malého množství neutrálních atomů vodíku s energií rovnou až stonásobku teploty plazmatu, které svoji energii předají srážkami okolnímu plazmatu.
Problémy se vrací po mnoho generací
Samozřejmě dochází k různým problémům (O nich se zmiňujeme v separátním příspěvku.) Ty se však už nyní podařilo vyřešit v revidovaném projektu supravodivého tokamaku ITER, který má fúzní výkon 500 – 700 MW. Nyní dochází k experimentům. Pokud budou úspěšné, stanou se tokamaky prvními fúzními elektrárnami. Zkušenosti z ITER se mají uplatnit v první demonstrační elektrárně DEMO. Tak by mohl mít svět energetický problém vyřešen pro tisíce dalších generací lidského rodu. Nebude to však hned zítra – spíš až za několik desítek let.
Co se musí vyřešit při termojaderné syntéze?
1. Je nutno optimálně vyřešit odvod „spalin“ fúzních reakcí z tokamaku.
2. Při rozpadu plazmatu pohasíná vysokoteplotní výboj. Elektrárna však bude muset dodávat do sítě neměnný elektrický výkon.
3. Snadné není ani doplňování vodíkového paliva do oblasti horkého plazmatu.
4. Ve všech termojaderných zařízeních se objevují různé nestability, které v plazmatu vedou k jeho turbulenci.
Historie termojaderné fúze
Snahy o realizaci myšlenky na výrobu „pozemského Slunce“ pochází z doby krátce po skončení 2. světové války. Tehdy však směřovaly k zabíjení co největšího počtu lidí: Jaderná syntéza totiž měla sloužit jako zdroj neutronů a ty posléze k výrobě náloží štěpných atomových pum. Vodíkovou nálož odpálili Američané v noci na 1. 11. 1952 na ostrově Elugelab v Pacifickém oceánu.
V době, kdy svět dělila tzv. „železná opona“, bádali vědci Východu a Západu zcela separátně a velice utajeně. (V SSSR to byl zejména otec sovětské atomové bomby I.V. Kurčatov.) Dospěli však k obdobným objevům, což ukázalo jejich setkání roku 1958 na mezinárodní konferenci o mírovém využití atomové energie v Ženevě. Rozdíl byl v tom, že zatímco západní „hvězdou“ byla magnetická nádoba zvaná stelarátor, v socialistických zemích to byl tokamak.
Jeho budoucí konstrukci navrhl roku 1949 v dopisu všemocnému Stalinovi mladý seržant Rudé armády O.V. Lavrentěv sloužící na Sachalinu. Vojákovu myšlenku uskutečnil A.D. Sacharov se svým týmem.
Tady vědci nejvíce spolupracují
Účinná mezinárodní spolupráce se prohlubovala od konce osmdesátých let minulého století.
Největší představitelé tehdejšího Sovětského svazu, USA a Francie stáli v roce 1985 u zrodu
projektu ITER (původně International Thermonuclear Experimental Reactor). Později se přidalo Japonsko, Evropská unie, poté Kanada, v roce 2003 i ČLR. ITER je druhým největším vědecko- technickým projektem v dějinách lidstva po ISS (International Space Station – Mezinárodní kosmická stanice). Termojaderný výzkum je nejrozsáhlejší vědeckou spoluprací vůbec.
Největším a nejvýznamnějším současným tokamakem na světě je anglický JET poblíž Oxfordu. Roku 1991 dosáhl vůbec první produkce termojaderné energie ve velkém(1.7 MW při teplotě paliva 200 000 000 ° C!)
V tomto velice důležitém poslání nezaostávají ani naši vědci – nejen díky internacionální výměně informací. V Ústavu fyziku plazmatu AV ČR bádají díky vlastnímu tokamaku. Naši experti se od počátku podílejí i na rozhodujícím projektu ITER.
Více se dozvíte:
Řízená termojaderná syntéza pro každého (autoři: Milan Řípa, Vladimír Weinzettl, Jan Mlynář, František Žáček), Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR, 2004
