Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 34 – vyšlo 23. října, ročník 12 (2014) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

34/2014

Kompaktní fúzní reaktor – nastal průlom ve fúzi?

Petr Kulhánek

O termojaderné fúzi jako zdroji levné a bezpečné energie sníme již mnoho desítek let. Často se zdálo, jako by řešení bylo na dosah, nicméně se pokaždé vynořily obtížně překonatelné překážky. V současnosti se naděje ubírají k velkému tokamaku ITERITER – původně zkratka pro „International Thermonuclear Experimental Reactor“, dnes se název odvozuje z latinského slova „iter“, které znamená „cesta“. Předpokládaný výkon reaktoru je 500 MW, stavba probíhá v blízkosti francouzského hradu Cadarache. Reaktor bude mít průměr 6 metrů. Tento dosud největší tokamak ITER by měl být uveden do provozu kolem roku 2025. Předpokládá se, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou první skutečné termojaderné elektrárny., který se staví ve Francii v blízkosti hradu Cadarache. Jde ale o horizont dlouhodobý, provoz by měl začít po roce 2020 a i v případě úspěchu bude cesta k první termojaderné elektrárně tohoto typu trvat ještě desítky let. Vědělo se, že společnost Lockheed Martin vyvíjí pro NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. nové raketové motory na nejrůznějších principech a vědělo se, že se v laboratořích této společnosti konají i experimenty s termojadernou fúzí. Nicméně zprávy byly kusé a konkrétní obrysy dostaly až v polovině října letošního roku, kdy společnost zveřejnila zprávu, že vyvíjí termojaderný reaktor založený na jiném principu než tokamak či stelarátor. Práce podle vyjádření týmu pokročily natolik, že kompletní řešení reaktoru bude hotové v horizontu pěti let a první elektrárna dodávající energii by měla být zkonstruována do deseti let. Rozměry zařízení jsou při daném výkonu desetkrát menší než u tokamaků a kompletní reaktor dodávající 100 MW energie by se měl vejít na korbu většího nákladního automobilu. Pokud se toto inženýrům z Lockheed Martin skutečně podaří, půjde o největší průlom v získávání energie za celou historii lidstva.

Představa reaktoru na korbě většího nákladního automobilu. Zdroj: Lockheed Martin.

Termojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium. Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. Tokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025. ITER – původně zkratka pro „International Thermonuclear Experimental Reactor“, dnes se název odvozuje z latinského slova „iter“, které znamená „cesta“. Předpokládaný výkon reaktoru je 500 MW, stavba probíhá v blízkosti francouzského hradu Cadarache. Reaktor bude mít průměr 6 metrů. Tento dosud největší tokamak ITER by měl být uveden do provozu kolem roku 2025. Předpokládá se, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou první skutečné termojaderné elektrárny.

Jaderná energie

Atomová jádra se skládají z neutronůNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. a protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. vázaných silnou interakcí. Tato vazba je největší pro jádra přibližně veliká jako jádro železa. Energii lze proto získávat buď štěpením jader větších, než je železo, nebo slučováním jader lehčích. Na štěpení jsou založeny dnešní jaderné elektrárny, první štěpný reaktor zkonstruoval Enrico Fermi v roce 1942 v Chicagu, čímž odstartoval jadernou energetiku.

Druhý způsob, slučování lehkých jader neboli fúze, probíhá přirozeným způsobem ve hvězdách a tedy i v našem SlunciSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Je zřejmé, že v přírodě je fúzní reakce zcela funkční, bez ní by hvězdy neexistovaly. Velkým snem je řízené uskutečnění této reakce v pozemských podmínkách. Pro překonání repulzívních elektrostatických sil je třeba vysoká teplota plazmatu, ve kterém má reakce proběhnout. K účinnému získávání energie musí být plazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. po dostatečně dlouhou dobu dostatečně husté a horké. Ve hvězdách jsou tyto podmínky zaručeny přirozeným způsobem. Na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. musíme plazma držet v magnetických polích a zahřívat ho elektrickým proudem či dalšími mechanizmy. Plazma je, na rozdíl od plazmatu v nitru hvězd, značně nestabilní a snaží se z oblasti, kde má fúze proběhnout, uniknout. A je tu ještě jeden rozdíl. Ve hvězdách začíná fúze sloučením dvou protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem., což je velmi pomalá reakce ovládaná slabou interakcíSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10^–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W⁺, W⁻ a Z⁰ se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD).. V pozemských podmínkách musí být fúzní reakce podstatně rychlejší, a proto se začíná až slučováním deuteriaDeuterium – těžký vodík, v jádře má jeden proton a jeden neutron. V průměru na Zemi připadá na 7 000 atomů normálního vodíku jeden atom deuteria. Jde o stabilní izotop vodíku.. Často uváděný slogan „Zapálíme Slunce na Zemi“ je tak poněkud zavádějící.

Mléčná dráha. Každá z hvězd má ve svém nitru přirozený fúzní reaktor. Konstrukce obdobného reaktoru v pozemských podmínkách by na dlouhou dobu vyřešila energetické problémy lidstva. Zdroj: Jon Talbot.

Fúzní experimenty

První fúzní experimenty se dělaly na plazových vláknech (tzv. pinčíchPinč – pinč neboli plazmové (proudové vlákno) patří snad k nejběžnějším útvarům v plazmatu. V nejjednodušší konfiguraci (tzv. z-pinč) teče proud v ose pinče a kolem pinče vytváří azimutální magnetické pole, které působí Lorentzovou silou na plazmové vlákno a snaží se ho smrštit (pinch = stlačit). Stlačením se plazma adiabaticky zahřívá, magnetické pole koná práci. Po čase se ustaví rovnováha mezi gradientem tlaku plazmatu, který se snaží plyn rozepnout a Lorentzovou silou, která pinč komprimuje. Tato rovnováha je nestabilní a pinč tohoto typu se rychle rozpadá. Stabilnější jsou helikální pinče, které mají nenulovou jak azimutální tak osovou složku pole.), která jsou stlačována vlastním magnetickým polem. Myšlenka udržení plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. v magnetické pasti se později rozvinula a vedla k tokamakůmTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025. v Sovětském svazu a stelarátorům ve Spojených státech. V tokamaku je plazma samotné sekundárním závitem obřího transformátoru a protékající elektrický proud nejenom že plazma zahřívá, ale vytváří i část pole nutného k jeho udržení. Plazma zaujímá prostor toroidu, tato geometrie je výhodná, protože plazmový sloupec je stočený a nemá žádný konec, kterým by plazma unikalo. Protipólem tokamaků jsou stelarátory, opět je v nich plazma drženo v toroidální geometrii důmyslnou kombinací magnetických polí, ta ale nevznikají průtokem proudu plazmatem. Název stelarátor má připomínat slovo stella (hvězda), a symbolizovat tak uskutečnění hvězdné reakce na Zemi. Existuje ale i řada dalších systémů, k nejvýznamnějším patří inerciální fúze, kde se ozařuje malá peleta (terčík s palivem) z mnoha stran výkonným laserem, čímž vznikne na krátkou dobu fúzní plazma, které je drženo pohromadě pouhou setrvačností. Zkoumají se i různá hybridní řešení, tj. kombinace několika principů, včetně kombinace fúze i štěpení. Fúzní výzkum je během na dlouhou trať: malé, ale vytrvalé pokroky vedou ke vzdálenému cíli – zdroji energie budoucnosti.

Proč vlastně lidé touží po fúzi a nespokojí se s štěpením? Především jsou zásoby uranuUran (prvek) – radioaktivní chemický prvek, kov, patří mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem. Izotop 235 se využívá jako palivo v jaderných elektrárnách. Je pojmenován po planetě Uran. vhodného pro štěpení omezené. Při štěpení vzniká radioaktivní odpad, který se musí dlouhodobě skladovat a který je aktivní i po tisících letech. Fúze využívá deuteriumDeuterium – těžký vodík, v jádře má jeden proton a jeden neutron. V průměru na Zemi připadá na 7 000 atomů normálního vodíku jeden atom deuteria. Jde o stabilní izotop vodíku. a tritiumTritium – velmi těžký vodík, v jádře má jeden proton a dva neutrony. Jde o nestabilní jádro s poločasem rozpadu 12,32 let.. Deuterium je obsaženo v oceánech ve velkém množství a jeho zásoby jsou v podstatě nevyčerpatelné. Tritium vzniká na periferii reaktoru při ostřelování jader lithiaLithium – nejlehčí ze skupiny alkalických kovů, značně reaktivní, stříbřitě lesklého vzhledu. Jedná se o lehký a měkký kov, který lze krájet nožem. Dobře vede elektrický proud a teplo. Bylo objeveno roku 1817 švédským chemikem Johannem Arfvedsonem. produkty fúzní reakce. Lithium je prvek hojně zastoupený v zemské kůře. Dva hlavní aktéři fúzní reakce – deuterium a lithium, jsou tedy v našem okolí v dostatečném množství. Ve fúzním reaktoru bude jen velmi malé množství paliva a při případné havárii bude ohroženo jen bezprostřední okolí reaktoru (maximálně desítky metrů). Navíc není finální produkt štěpení – ⁴He radioaktivní, jde o velmi stabilní atomové jádro. Samotné stěny reaktoru budou po určité době provozu samozřejmě zářit, neboť v nich vzniknou radioaktivní prvky. Jejich poločas rozpadu bude ale krátký a materiál reaktoru bude po sto letech skladování prakticky neaktivní (na rozdíl od palivových článků štěpné reakce, jejichž doba skladování je za horizontem našeho vnímání).

Kompaktní fúzní reaktor

Tým vedený Thomasem McGuirem oznámil úspěšné završení první fáze prací na reaktoru nového typu v laboratoři společnosti Lockheed Martin. Reaktor nazvali kompaktní fúzní reaktor (CFR, Compact Fusion Reactor). Zařízení se výrazně odlišuje od klasických tokamaků, plazma nezaujímá ve vakuové komoře toroidální tvar, ale pouze sloupec držený magnetickými poli mezi dvěma magnetickými zrcadly. Jednoduchý koncept umožňuje podle aktuálního tvaru plazmatu měnit magnetické pole, které plazma odděluje od stěn komory. Magnetické pole je tvořeno supravodivými magnety v podobě několika prstenců. Na koncích komory je pole nejsilnější a většinu částic plazmatu odrazí zpět do reaktoru. Uvažuje se i o elektrickém poli, které by vracelo ionty z koncových oblastí do reaktoru (současně nelze navracet ionty i elektrony, elektrony mají opačný náboj a pole na ně působí v opačném směru). Ohřev plazmatu je uskutečňován metodami vyvinutými u tokamaků – jednak vysokofrekvenčním ohřevem (plazmatem prochází elektromagnetická vlna, která rezonančně zahřívá plazma) a jednak neutrálními svazky, které snadno proniknou magnetickým polem a v plazmatu jsou zachyceny a svou energii mu předají.

Základní schéma kompaktního fúzního reaktoru. Zdroj: Lockheed Martin.

Tvůrci nového reaktoru tvrdí, že plazma je relativně stabilní a podařilo se jim dosáhnout vysokého poměru mezi tlakem plazmatu a tlakem magnetického pole. Ten se popisuje tzv. parametrem beta (poměrem hustoty tlakové energie plazmatu a hustoty energie magnetického pole). Důležité je, aby podstatná část energie byla deponována v plazmatu a nikoli v magnetickém poli, které plazma drží. Parametr beta by proto měl být co možná nejvyšší. V současných experimentech v Lockheed Martin se blíží jedné a v budoucnosti by měl být vyšší než jedna. Nová geometrie umožňuje při stejných rozměrech desetkrát vyšší fúzní výkon než v tokamacích, tj. při stejném výkonu může být kompaktní reaktor desetkrát menší a tedy i levnější a lépe ovladatelný. U stavěného tokamaku ITER se předpokládá výkon 500 MW při průměru komory 6 metrů. Samotná komora bude ovšem obklopena nejrůznějšími zařízeními a stane se pevnou součástí mnohonásobně větší budovy. V Lockheed Martin chtějí postavit kompaktní reaktor, který se vejde na korbu nákladního automobilu a bude mít výkon 100 MW, což je výkon, který by postačil pro potřeby menšího města (100 000 obyvatel). Podle propočtů by 25 kg paliva mělo vystačit na provoz reaktoru po dobu jednoho roku. Konkrétní plán je mít do pěti let funkční a bezpečný reaktor a během dalších pěti let vyvinout zařízení k přeměně tepelné energie deponované ve stěnách nádoby na elektrickou energii (zde bude použito klasických výměníků a turbín). Sečteno a podtrženo – v Lockheed Martin tvrdí, že do deseti let budou mít kompletně hotovou funkční termojadernou elektrárnu, která bude navíc přenosná.

Podle vyjádření členů týmu nebudou u kompaktního reaktoru největší problémy se stabilitou plazmatu, ale s volbou vhodných materiálů pro reaktor, tedy největší kus práce se očekává v následujících pěti letech od materiálových inženýrů.

Stavba prototypu reaktoru. Zdroj: Lockheed Martin.

Supravodivé magnety uvnitř komory reaktoru mají tvar prstenců.
Zdroj Lockheed Martin.

Závěr

Pokud půjde vše podle plánů odborníků z Lockheed Martin a NASA, dočkáme se do pěti let reaktoru (a do deseti let elektrárny), který bude schopen trvale pohánět nejenom kosmické lodě (a výrazně zkrátí například cestu na Mars), ale samozřejmě i lodě pozemské a letadla. Letadla by tak měla poprvé v historii neomezený dolet. Energii pro města by bylo možné vyrábět čistě, s minimálními náklady a nulovou zátěží životního prostředí. Vše to zní jako pohádka. Nyní velmi záleží na tom, zda je tento ambiciózní cíl reálný. Tedy nezbývá než vyčkat avizovaných pět let do konstrukce funkčního reaktoru. Pokud se skutečně podaří tento reaktor vyvinout, půjde o mimořádný počin do budoucnosti, počin, který odstartuje energetickou revoluci a kterému se budou bránit nejrůznější energetické závody, jejichž existence bude silně ohrožena. Nepředbíhejme ale a vyčkejme věcí příštích. Na cestě k uskutečnění fúze jsme se už mnohokrát zmýlili.

Lockheed Martin vyvíjejí kompaktní fúzní reaktor.
Zdroj: Lockheed Martin. (mp4, 60 MB)

Odkazy