Jaderná fúze v přírodě: Energetický zdroj vesmíru a budoucnosti

Jaderná fúze je typ jaderné reakce, při níž se slučují dva atomy lehkých prvků do jednoho těžšího. Zároveň dojde k uvolnění obrovského množství energie. Jaderná fúze probíhala a probíhá ve všech hvězdách, uvolňuje pro celý vesmír životodárnou energii a vyrábí nejrůznější chemické prvky nutné pro život. Jedna z hvězd - naše Slunce je základním předpokladem života na Zemi.

Celý život na Zemi závisí na světelné a tepelné energii Slunce, která také pochází z jaderné fúze. Ve Slunečním jádru dochází ke slučování lehkých atomových jader a tím k uvolňování energie. Jakmile bude ve slunečním jádře sloučen všechen vodík, začne se slunce měnit.

Dojde k jeho gravitačnímu zhroucení, zapálení jaderné fúze ve středních vrstvách slunce, slunce expanduje do červeného obra a nakonec se smrští do bílého trpaslíka. V období červeného obra Slunce pravděpodobně pohltí i Zemi, takže závislost lidstva na jaderné fúzi Slunce je doslova fatální.

Díky jaderné fúzi existuje vesmír v podobě, v jaké jej známe, protože právě jaderná fúze umožnila vznik chemických prvků postupným slučováním lehčích atomových jader.

Z hlediska historie lidstva a činnosti člověka jde o zcela člověku přirozený energetický tok. Jde také o člověkem nevyčerpatelný zdroj. Délka existence tohoto zdroje mnohonásobně překračuje délku celé existence lidstva a jeho energetická kapacita překračuje veškeré racionální úvahy o budoucí spotřebě energie lidskou populací.

Čtěte také: Životní prostředí a jaderné elektrárny

Nejjednodušší reakcí jaderné fúze je spojování dvou jader vodíku na jádro deuteria:. Tato reakce probíhá na Slunci a je výchozí reakcí cyklu, v němž vzniká helium a sluneční záření. Problém však je v tom, že tritium se vyskytuje v přírodě jen v malém množství, je radioaktivní, dosti toxické a je nutné ho získávat z přírodního lithia (nacházejícím se v zemské kůře, mořské vodě, …) ozařováním neutrony.

Tritium je též možné získávat z lithia pomocnou jadernu frakcí při zachycování neutronů v plášti termojaderného reaktoru. Dále se uvažuje o reakci spojování dvou jader za účasti boru, lithia a jiných nuklidů. Ekologicky zajímavé jsou tzv. Helia je sice na Zemi nedostatek, ale bylo by možné je úspěšně těžit v povrchových vrstvách Měsíce. Nabité částice α a protony uvolněné při těchto reakcích by mohly být využity k přímé přeměně jaderné energie na elektrickou bez parního cyklu.

Aby mohlo dojít ke spojení jader, je třeba překonat odpudivé elektrostatické síly působící mezi jádry a přiblížit jádra k sobě až na jaderné vzdálenosti. Proto je nutné jádra nejprve urychlit, dodat jim značnou kinetickou energii, tzv. aktivační energii.

Jaderná fúze jako zdroj energie budoucnosti

Jaderná fúze je zdrojem energie budoucnosti, který by mohl zpomalit globální oteplování. Jde o téměř nevyčerpatelný zdroj, který je bezpečný, protože neexistuje riziko výbuchu a nekontrolované reakce. Navíc je ekologický, udržitelný a na rozdíl od jaderných elektráren neprodukuje radioaktivní odpad.

Pro vytvoření fúzní reakce je potřeba pouze malé množství paliva. Fúzní reaktor o výkonu 1 GW spotřebuje jen 2 kg paliva za den. Termojaderná fúze není v principu složitá a je fyzikálně velmi dobře popsána. Problémem zůstává její technické provedení.

Čtěte také: Dopady plovoucích jaderných elektráren

K fúzi dochází ve středu Slunce za působení vysokých teplot a ohromného tlaku. Na Zemi je simulace podobných podmínek velmi složitá, problémem je zejména vytvoření dostatečného tlaku. To je samozřejmě enormně energeticky náročné a zatím se nepodařilo vyrobit reaktor, který by byl schopen vygenerovat více energie, než sám pro fúzi spotřebuje.

Pro dosažení návratnosti je potřeba vyřešit dva problémy - iniciovat fúzní reakci a následně ji udržet. Nejdříve se musí z plynu vytvořit plazma. Nejúspěšnější pokusy dokázaly vytvořit rozpálené plazma o teplotě 200 milionů stupňů a nejdéle se podařilo udržet fúzi po dobu 102 sekund.

Zatím největším provozovaným fúzním reaktorem je JET v Anglii, jenž byl spuštěn v roce 1983, kdy úspěšně vytvořil plazma. Jeho rekordem je výkon 65 % z celkové spotřebované energie. Ani zdaleka tak není energeticky rentabilní.

Pro vytvoření dostatečného množství energie a rentabilitu jaderné fúze je potřeba, aby se plazma samo udrželo. To znamená, že energie pro ohřev plazmatu vzniká ze samotné fúzní reakce a nemusí být dodávána zvenčí. Ve výstavbě je největší reaktor ITER, jehož rozměry by měly poprvé v historii umožnit dosáhnout energetické rentability termonukleární fúze.

ITER je osmkrát větší než dosud testované reaktory, je konstruován na 840 m3 plazmatu, které by mělo dosáhnout teploty 150 milionů stupňů Celsia. Aby horké plazma neroztavilo reaktor, využívá se silné magnetické pole, které ho odděluje od stěn. Momentálně existují dva druhy reaktorů - tokamak a stelarátor. Rozdíl mezi nimi tkví ve způsobu vytváření magnetického pole.

Čtěte také: Jaderná energie a emise

Výzkum spojený s jadernou fúzí je velmi nákladný a reálné výsledky jsou bohužel zatím v nedohlednu. Právě proto začala kooperace na reaktoru ITER, který se stal druhým nejdražším vědeckým projektem na světě. Napjatý rozpočet zůstává hlavním problémem, kvůli kterému dochází ke zpoždění ve výstavbě a spuštění.

Obrovské náklady na výzkum termojaderné fúze souvisí rovněž s nutností mezinárodní spolupráce. Na projektu ITER se podílí Evropská unie, USA, Čína, Rusko, Jižní Korea a Japonsko. Na jednu stranu nadnárodní spolupráce vytváří lepší možnosti financování, na druhou stranu kvůli komplexnosti projektu vzniká mnoho problémů. Náročnost výzkumu způsobuje, že na jednom projektu je potřeba pracovat i déle než jednu generaci. A to se zatím ukazuje jako velmi problematické, protože z politického hlediska jsou důležitější okamžité výsledky.

Ačkoliv reaktor ITER přináší obrovskou naději do výzkumu jaderné fúze, je potřeba si uvědomit, že se jedná pouze o experimentální zařízení. Součástí vůbec nebude testování přenášení vytvořené energie do elektrické sítě. Reaktor DEMO bude navazovat na poznatky z projektu ITER a měl by být již posledním krokem před zapojením fúzního reaktoru do distribuční sítě.

Právě reaktor DEMO bude mít za úkol zjistit, jak nejefektivněji transformovat fúzní energii pro komerční účely. Na základě těchto poznatků pak budou budovány první fúzní reaktory pro využití v běžné síti.

Fúzní výzkum v České republice

Pokud se o jadernou fúzi moc nezajímáte, možná vás trochu překvapí, že tokamak najdete i v Česku. Fúzní výzkum u nás totiž má poměrně dlouhou historii, která sahá až do 60. let minulého století, kdy se touto problematikou začal zabývat Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR.

Ten v roce 1977 uvedl do provozu první tuzemský tokamak nazvaný CASTOR, který byl dovezen z Ústavu atomové energie I. V. Kurčatova v Moskvě. Díky tokamaku CASTOR získal ústav řadu výsledků světového formátu, a mohl tak rozvíjet mezinárodní spolupráci mimo země východního bloku na západ, především do Francie a Itálie. Tokamak fungoval až do roku 2006, posléze jej nahradil novější a modernější kus, COMPASS.

Jedno takové zařízení, tokamak, na testování reakcí v extrémně horkém plazmatu se nachází v Praze v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.

Alternativní přístupy k jaderné fúzi

INFUSE: Vzhledem k tomu, že realizace tokamaku ITER nejde podle plánu, rozhodly se Spojené státy, které jsou jedním z partnerů projektu, že vývoj v oblasti jaderné fúze trochu popoženou. Vyhlásily nový program zvaný INFUSE, který se věnuje technologiím s potenciálem urychlit vývoj fúze, jako jsou například nové a vylepšené supravodivé magnety.

HB11 Energy: Australský start-up HB11 Energy pracuje s úplně jiným konceptem než je deuteriovo-tritiová termojaderná fúze. Jejich technologie navazuje na výzkum Heinricha Hory, teoretického fyzika původem z Děčína a funguje na základě vodíkovo-bórové fúze.

Začátkem tohoto roku se tým HB11 Energy dokonce nechal slyšet, že vše funguje mnohem lépe, než původně očekávali.

Přírodní jaderný reaktor Oklo

Jaderný štěpný reaktor není jen vynálezem člověka. Člověk jen znovu objevil a napodobil to, co existovalo v přírodě. Přírodní jaderný reaktor pracoval již před dvěma miliardami let v uranovém nalezišti v Oklu, na území dnešního státu Gabon.

V uranovém nalezišti Oklo v africkém Gabunu bylo doposud lokalizováno 16 reaktorových zón a na základě geologických a radiochemických analýz se zjistilo, že ložiska uranu v tamních skalních masívech umožnila vznik a udržení štěpné jaderné reakce o průměrném výkonu cca 100 kilowattů v každé zóně po relativně dlouhou dobu, tj. přibližně 150 tisíc let.

Od šedesátých let těžila Francie uranovou rudu z místních bohatých nalezišť asi 50 km severozápadně od města Franceville. Při běžném geologickém průzkumu ložisek došlo v roce 1972 k šokujícímu objevu.

Zjistil, že obohacení uranové rudy izotopem 235U je menší než očekávaných 0,7202 %, což je obvyklé je v zemské kůře, na Měsíci a dokonce i v meteoritech. Naměřená hodnota obohacení byla o 0,0031 % nižší.

Metody datování založené na radioaktivním rozpadu jader s dlouhými dobami života umožnily zařazení doby fungování reaktoru do epochy před dvěma miliardami let, tedy cca 2,5 miliardy let po zformování Sluneční soustavy. Důl byl v provozu 40 let až do r. V současné době žádný přírodní reaktor nikde na Zemi nepracuje.

Poločas rozpadu 238U je srovnatelný se stářím Země, necelých 5 miliard let, zatímco poločas rozpadu 235U je asi šestkrát menší, asi 0,7 miliardy let. To znamená, že 235U se rozpadá rychleji a jeho zastoupení v přírodním uranu neustále klesá.

Fakt, že se řetězová reakce udržela několik tisíc let a nedošlo k explozi, nabádá k zamyšlení, jak docházelo k jeho regulaci a kontrole reaktivity. Provedené výzkumy v dané oblasti objevily mechanismus, který s největší pravděpodobností zajistil „řízení“ reakce. Jako neutronový moderátor (zpomalovač neutronů) se o to zasloužila podpovrchová voda, která se s rostoucí reakcí, a tedy zvyšující se teplotou, vypařovala.

Způsob, jakým přírodní reaktory v Oklu pracovaly, může být velmi poučný i pro současné konstruktéry jaderných reaktorů. Napodobení přírody, konkrétně jejího „triku“ se zapouzdřením štěpných produktů do aluminium-fosfátových zrn, by totiž mohlo pomoci vyřešit v současné době nejpalčivější problém jaderné energetiky - skladování vysoce radioaktivního vyhořelého paliva.

Současný stav výzkumu

HEFEI, 20. Doba trvání 1000 sekund je považována za klíčový krok ve výzkumu fúze. Globální vědci pracovali více než 70 let na snaze dosáhnout tohoto úspěchu. Jaderná fúze na Zemi je velmi složitá záležitost.

Na Zemi jsme problém s potřebnou gravitací vyřešili násobně vyšší teplotou přesahující 100 mil. °C pomocí Tokamaku. Tak vysoké teploty, násobně vyšší než na Slunci, zajistí větší „ochotu“ jader Vodíku (H) ke slučování. Zařízení vytváří toroidální magnetické pole což je nezbytně nutné pro tak vysoce zahřátou plazmu.

Čekáme na spuštění největšího experimentálního tokamaku ITER, který by měl být předstupněm komerčně využitelné výroby elektřiny. Média pokus nazývají "svatým grálem energie" a označují ho za velký průlom.

Vědcům v americké laboratoři se poprvé v historii povedlo získat při jaderné fúzi více energie, než kolik do ní vložili. Otevřeli tak cestu k budoucnosti, kdy by jaderná energetika mohla být bezpečnější a zároveň bezemisní.

Radomír Pánek z Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd České republiky, který se výzkumem jaderné fúze zabývá, je ale ve svém hodnocení opatrnější a označuje ho především za významný fyzikální výsledek.

Radomír Pánek uvádí, že jde o zdroj energie pro budoucnost, který řeší víceméně všechny problémy současných energetických zdrojů. Zároveň k provozu budoucích elektráren nebude potřeba velké množství paliva. "Pro reaktor s výkonem srovnatelným s jedním blokem Temelína potřebujete na rok provozu jen tolik paliva, co se vejde do jedné dodávky. Tak účinné to je," hodnotí Pánek.

Fúzní elektrárny budoucnosti se budou štěpným podobat, akorát jaderný reaktor nahradí fúzní. Budou mít zároveň několik výhod, jednou z hlavních je bezpečnost. Procesy ve fúzním reaktoru vyžadují podmínky na Zemi obtížně dosažitelné. Proto v případě krize stačí vypnout přívod paliva a fúze skončí. Vznikne také daleko menší množství radioaktivity.

Pánek se nedomnívá, že současný průlom by měl za následek konec jaderných elektráren nebo obnovitelných zdrojů energie. "V budoucích přibližně 40 letech určitě ne. Myslím, že vedle sebe budou dlouho existovat stávající štěpné elektrárny a budoucí fúzní.

Fúzní elektrárna je dlouhodobé řešení pro klimatickou změnu, protože budeme mít velký a stálý zdroj energie, která nebude, kromě samotné realizace, produkovat žádné emise skleníkových plynů a zabere vzhledem ke svému výkonu relativně malou plochu.

Výzkumu s magnetickým polem se podle Pánka věnuje většina odborníků a má být i výrazně blíž k realizaci stavby fúzní elektrárny. "V minulém roce se podařilo po dobu pěti sekund vyprodukovat celkem 60 megajoulů energie, což je světový rekord," říká odborník.

Potenciál jaderné fúze jako udržitelného zdroje

Proto musí být hledány ekologické a udržitelné energetické zdroje, které mohou být současné energetice skutečnou alternativou. Fúzní energie splňuje všechny požadavky kladené na udržitelný energetický zdroj. Ve světových oceánech se nachází okolo 35 milionů tun základního fúzního paliva - deuteria.

Druhá, dočasná složka paliva tritium se v přírodě nevyskytuje, lze ji ale získat z jiného lehkého prvku - lithia. Celosvětové zásoby lithia jsou přibližně 10 milionů tun. Přitom fúzní elektrárna o elektrickém výkonu 1 GW spotřebuje přibližně 2 kg paliva za den.

Celosvětová roční spotřeba energie činí přibližně 5 × 1020 J. Pokud by se měla tato spotřeba kompletně pokrýt fúzní energií, stačilo by jen 11 600 tun fúzního paliva na celý rok pro celý svět.

Fúzní energie přitom nepoškozuje životní prostředí a plně vyhovuje koncepci trvale udržitelného energetického rozvoje. Po fúzní reakci nezůstává žádné vyhořelé palivo, produktem fúzní reakce je minimální množství neškodného helia. Nekontrolované uvolňování energie je vyloučené.

Výzkum získání energie z fúzní reakce je však vysoce nákladný a mohou jej financovat pouze velké státy nebo skupiny států. Projekt Mezinárodního termojaderného experimentálního reaktoru ITER bude mít podle odhadů celkové náklady přes 10 miliard eur.

tags: #jaderná #fúze #v #přírodě

Oblíbené příspěvky:

• Bezpečné nakládání s injekčními jehlami
• Domácí ekologie a rajčata
• Stany a hamaky pro relax
• Podpora recyklace OSN
• Co je ekologický přístup?