Čistá energie tokamaků

S rostoucím počtem obyvatel a rozvojem průmyslu se neustále zvyšuje energetická spotřeba lidstva, kterou není možno uspokojit jen využitím obnovitelných zdrojů energie. Ekologicky přijatelné řešení pro blízkou budoucnost se nazývá termojaderná fúze. Vědci, kteří se na řešení tohoto problému podílejí, jsou jednoznačně přesvědčeni, že termonukleární energie by měla být v budoucnosti definitivním energetickým zdrojem. Všechny ostatní zdroje včetně jaderné energetiky, založené na štěpení atomových jader těžkých prvků, jsou podle jejich mínění pouze dočasné.

Princip termojaderné fúze
Jaderná fúze je jaderná reakce, při které se spojením jader lehkých prvků vytvoří nové, těžší jádro. Základním problémem při syntéze dvou atomových jader je jejich vzájemné odpuzování vyvolané kladným nábojem obou jader. Na překonání této coulombovské bariéry lze využít energii například z chaotického tepelného pohybu. Pak mluvíme o tzv. termojaderné fúzi, při níž zahříváme termojaderné palivo na takovou teplotu, aby kinetická energie tepelného pohybu jader stačila na "překonání" potenciální bariéry. Tato energie představuje několik desítek keV, čemuž odpovídá teplota řádově 108 K. Při teplotách stovek milionů kelvinů už hmota existuje jen ve stavu plně ionizovaného plynu, tj. směsi holých atomových jader a volných elektronů neboli plazmatu. Tento způsob zažehnutí fúzní reakce se jeví jako jediný vhodný kandidát na zdroj využitelné fúzní energie.

Energii můžeme získat buď rozštěpením těžkého jádra (uranu, thoria, plutonia), nebo naopak sloučením několika lehkých jader (vodíku, helia) na jádra těžší tak, aby v obou případech byla výsledná vazbová energie větší než vazbová energie do reakce vstupujících jader. Reakce, vhodné pro termonukleární procesy využitelné k produkci energie ve velkém měřítku, musí být silně exoenergetické (energii uvolňující) jaderné přeměny s vysokým účinným průřezem již při poměrně nízkých energiích. Kromě toho by měly splňovat další požadavky, jako je přijatelná cena výchozích materiálů i technologií, možnost transformace energie za technicky dosažitelných podmínek, stabilita výchozích jader i pro-duktů reakce apod. Z těchto důvodů se výzkum zúžil na několik reakcí izotopů vodíku a helia.

Z hlediska současného výzkumu se největší pozornost věnuje syntéze jader deuteria a tritia, neboť je nejméně náročná, pokud jde o ohřev a udržení plazmatu. Právě tato reakce je pro svoji relativně nejsnadnější uskutečnitelnost považována za jediný reálný proces pro termonukleární reaktory první generace a téměř všechny úvahy o těchto systémech vycházejí z jejího využití. Teprve v dalších generacích se předpokládá využití reakcí D+D nebo 11B+vodík, tedy procesů v mnoha směrech nesporně výhodnějších. Palivem pro reakci D+T je izotop vodíku deuterium D a tritium T, tzv. supertěžký vodík. Jde o izotop radioaktivní a vzhledem ke krátkému poločasu rozpadu se v přírodě volně téměř nevyskytuje. Deuterium se bude získávat separací z vody, v níž tvoří frakci ~3,3×10-5, zatímco tritium bude možno získat z lithia pomocnou jadernou reakcí při zachycování neutronů v plášti termojaderného reaktoru. Lithium se v dostatečné míře vyskytuje v zemské kůře, ~6×10-3 %, a je také obsaženo v mořské vodě, ~170 mg.l-1.

Lawsonovo kritérium
Při teplotách řádově stovek milionů stupňů jsou atomy plně ionizovány, mluvíme tedy o plazmatu. Částice v plazmatu ztrácejí svoji energii především brzdným zářením a transportem energie na stěny nádoby, v níž plazma vytváříme. Z energetické bilance procesu plyne podmínka pro udržení fúzní reakce, tzv. Lawsonovo kritérium: součin hustoty plazmatu, jeho teploty a doby udržení energie musí být větší než určitá kritická hodnota. Podrobněji viz schéma v tabulce na s. 210-211.

Vývoj zařízení pro termojadernou fúzi
První pokusy o zažehnutí termojaderné fúze v pozemských podmínkách spadají do poloviny třicátých let, kdy E. Rutheford a J. Douglas dosáhli na urychlovači energie jader deuteria potřebné k uskutečnění první reakce jaderné syntézy za vzniku izotopu helia a neutronu (1934). Mohlo by se zdát, že tento jednoduchý experiment vyřešil problém fúze. Urychlovač se však nedá použít jako zdroj fúzní energie, neboť je-li svazek deuteronů namířen například na terčík z pevného tritia nebo deuteria, většina energie se ztratí ionizací, ohřátím terčíku a elastickými srážkami. Rovněž srážející se svazky nelze vytvořit tak husté, aby získaná energie z termojaderné reakce byla větší než energie potřebná pro urychlování. O deset let později vědci pracující na štěpení uranu po konstrukci prvních atomových bomb s uranem a plutoniem vyvinuli i termojadernou bombu vodíkovou. První byl E. Teller v USA, o něco později I. V. Kurčatov v Sovětském svazu. Pro mírové účely však bylo nutno energii uvolňovat pozvolna a plynule. Protože neexistuje materiál, z něhož by bylo možno vyrobit nádobu na horké plazma, vznikla myšlenka využít přítomnost elektricky nabitých částic a pokusit se udržet a tepelně izolovat horké plazma magnetickým polem. Nezávisle na sobě, v tajnosti, pracovaly týmy v Sovětském svazu, USA a Anglii. Zde zmiňme jména J. Tamma, A. D. Sacharova, program ústící v koncepci tokamaků L. A. Arcimoviče a teoretika M. A. Leontoviče, R. F. Posta z Kalifornské univerzity, který rozvíjel metodu magnetických pastí, L. Spitzera, který navrhl r. 1951 koncepci stelarátoru, a A. S. Bishopa, koordinátora amerického programu řízené termojaderné syntézy s krycím názvem Sherwood. V Harwellu v Anglii pracoval mladý fyzik australského původu P. Thoneman, který stál u zrodu zařízení s prstencovým výbojem ZETA. Od konference v Harwellu r. 1956 se výzkumy odtajnily a rozvinul se široký mezinárodní výzkumný program. Ale i přes mezinárodní spolupráci se optimistické předpovědi o průmyslovém využití fúzní energie v blízké budoucnosti nesplnily. Dnes můžeme střízlivě konstatovat, že jde o perspektivní energetický zdroj, jehož praktické využití se očekává nejdříve kolem r. 2030.

Předmětem současného výzkumu jsou dvě zásadně odlišné koncepce, obvykle označované jako magnetické udržení a inerciální udržení.
Magnetické udržení spočívá v takové konfiguraci magnetického pole, aby většina nabitých částic sledovala vhodně zakřivené magnetické siločáry, a tak nepřicházela do styku se stěnami komory, v níž se plazma vytváří. Ohřev pak musí pokračovat tak dlouho, dokud tepelný pohyb částic nedosáhne oblasti rychlostí, ve které srážky vyvolávají fúzi. Mezi zástupce této koncepce patří tokamaky, stelarátory, theta a Z-pinče, kompresní linery, zrcadlové nádoby, torzatrony...

U inerciálního udržení je základem extrémně rychlý ohřev fúzního paliva, vedoucí ke vzniku fúzních reakcí uvolňujících energii dříve, než síly působící na atomové a subatomové částice rozptýlí reagující hmotu. U koncepce, která se předpokládá pro aplikaci k výrobě energie, se drobná tableta zmrazeného vodíku spustí do komory, v níž je prudce zasažena pulzem energie laseru, fokusované na tabletu z několika směrů. Tímto rychlým ohřevem povrchu vznikne implozní rázová vlna, která vyvolá ohřev a zhutnění středu tablety až do dosažení podmínek termonukleární syntézy. Fúzní energie se vytvoří v nepatrném zlomku sekundy (~2 ns), než tableta exploduje. K využití této metody jako energetického zdroje je zapotřebí nepřetržitá řada takových aktů v krátkých intervalech. Toho by se dosahovalo pomocí laserů, nebo také svazky těžkých či lehkých iontů. Doposud však natolik výkonné lasery nebyly zkonstruovány.

Fúzní reaktor (na principu tokamaku)
Koncepce tokamaku se zrodila koncem padesátých let v Sovětském svazu a u jeho zrodu stál L. A. Arcimovič. Je to v podstatě transformátor, jehož sekundární cívka má jeden závit ve tvaru toroidní trubice. Plazma z deuteria a tritia se nachází uvnitř toroidního dutého vakuového prstence. Elektrický proud primárního obvodu transformátoru indukuje elektromotorické napětí v sekundárním obvodu. V plynu D+T v toroidní trubici vznikne výboj, plyn se ionizuje a indukovaný proud jej zahřívá na vysokou teplotu. Magnetické pole tohoto proudu udrží vzniklé plazma v ose toroidu, takže se nedotýká stěn komory. Díky magnetickému poli se tepelné zatížení stěn sníží na technologicky zvládnutelnou hodnotu, a tak se předpokládá chlazení stěn na teploty 1000-1300 °C. Rozměry reaktoru a jeho výkon závisí obyčejně na vlastnostech materiálů, které tvoří plášť reaktoru, nikoli na vlastnostech plazmatu. Předpokládá se, že elektrický výkon těchto reaktorů by byl 2-3 GW.

Tokamak pracuje v pulzním režimu. Do vyčerpané prstencové vakuové nádoby se napustí pracovní plyn s hustotou částic 1018-1021 m-3. Proudem tisíců až milionů ampérů se plyn zahřeje do teplot 1-2 keV. K dosažení potřebné teploty okolo 10 keV je potřeba použít doplňkový ohřev: např. ohřev absorpcí elektromagnetické iontově cyklotronové vlny ionty, ohřev cyklotronní elektronovou rezonancí, vstřikováním neutrálního svazku - také pro dodání paliva, ohřev parametrickými vlnami - využitím intenzivních mikrovlnných nebo infračervených laserových svazků.

Vliv termonukleární fúze na životní prostředí
Současná výroba energie je spojena s velkým množstvím odpadů, neboť palivo o určité hmotnosti se přeměňuje na přibližně stejné množství odpadu. Tyto odpady vypouštíme do životního prostředí či ukládáme jako tuhé, kapalné a plynné látky. To způsobuje zamoření biosféry různými skleníkovými plyny a škodlivinami, jako například emisemi CO2, SO2, NO2, CO, popílku, produkcí popela a nebezpečného radioaktivního vyhořelého paliva z jaderných elektráren. Za nejperspektivnější náhradu fosilních paliv se považuje sluneční a větrná energie, energie biomasy, energie moří a oceánů, geotermální energie a také energie jaderné syntézy.

Pokud potřebná zařízení prokážou svou způsobilost z hlediska možnosti výstavby, provozu a údržby, mohla by fúze hrát v příštích letech velmi významnou úlohu při krytí světové spotřeby energie. Velkou předností tohoto řešení by bylo, že ekologické a bezpečnostní aspekty fúzního energetického průmyslu se zdají být pro společnost přijatelné. Předpokládá se, že provoz budoucích termojaderných elektráren bude v porovnání se současnou jadernou energetikou podstatně méně rizikový.

Získání energie jadernou syntézou má řadu předností před energií ze štěpných reakcí. Předně palivo je k dispozici v téměř neomezeném množství (deuterium v oceánech by ji poskytlo lidstvu na miliony let). Při těchto reakcích nevznikají štěpné produkty, odpadá vnější palivový cyklus, přepracování a ukládání vyhořelého paliva. Nehrozí také nebezpečí výbuchu, alespoň jaderného. U těchto reakcí neexistuje kritická velikost, a nadto by v termojaderném reaktoru bylo vždy nanejvýš několik gramů paliva. Neutrony vznikající při reakci deuteria a tritia vyvolají sice určitou sekundární radioaktivitu konstrukčních materiálů, ale ta je menší než radioaktivita štěpných produktů a nemůže ohrozit okolí. Je třeba jisté opatrnosti při manipulaci s tritiem, ale lze ji technicky zvládnout. Navíc bude v budoucnosti možno přejít na takzvané čisté reakce, bez tritia, neu-tronů a záření gama. Změny mikroklimatu jsou srovnatelné se změnami, které působí jaderné elektrárny o stejném výkonu.

Primární částice vystupující z fúzních reakcí nejsou radioaktivní. Nevyhnutelná absorpce fúzních neutronů v konstrukcích a dalších materiálech vede ke vzniku radioaktivních nuklidů, které však nejsou pohyblivé ani příliš dlouhodobé, což usnadňuje jejich zachycování a likvidaci.

Při spalování vodíkového paliva vzniká 4He, které se běžně vyskytuje v atmosféře (v horní vrstvách značně a v dolních vzácně). Není nutné ho vypouštět, je možné ho dále technicky využívat (pro náplň zářivek, pro chlazení aj.). Izotop 4He není radioaktivní ani chemicky toxický.

Perspektivní cesta
Havárie jaderné elektrárny v Černobylu, kyselé deště, havárie obřích tankerů s ropou, ozonové díry v horních vrstvách atmosféry a řada dalších jevů názorně demonstrují ojedinělou schopnost člověka ničit své vlastní životní prostředí. Zdá se, že 21. století dostane do vínku nezáviděníhodné dědictví v podobě negativních důsledků rostoucí průmyslové a hospodářské činnosti lidstva.

Přes veškerou složitost ekologických problémů je proto prvořadým úkolem již dnes maximálně usilovat o snížení negativních vlivů na životní prostředí. Jednou z perspektivních cest se ukazuje využití energie jaderné fúze.

Vladimír Weinzettl , Ústav fyziky plazmatu
Za Slovankou 3, P.O.Box 17, 182 21 Praha 8
Telefon: (02) 6883028 Fax: (02) 6605 2907
E-mail: vwei@ipp.cas.cz