Neblahé vplyvy klimatických zmien nám čoraz jasnejšie ukazujú, že musíme čo najskôr prejsť na obnoviteľné a ekologické zdroje energie. Najviac sa presadzujú štiepne reaktory, solárne panely či veterné turbíny, kdesi za nimi sú aj vodné elektrárne. V diaľke sa však prebúdza obor, ktorý môže zmeniť úplne všetko – termonukleárny reaktor.

Termojadrové fúzne reaktory naberajú na obrátkach a vo výstavbe je napríklad ITER, najväčší na svete, na ktorom pracuje až 35 krajín, vrátane 27 krajín Európskej únie. Ako fungujú azda najkomplexnejšie stroje, ktoré ľudstvo skonštruovalo a ako sme ďaleko od ich uvedenia do komerčnej prevádzky? A dokážu spoľahlivo nahradiť bezpečné solárne panely či už roky zaužívané jadrové elektrárne?

Skutočná energia hviezd priamo na Zemi, ako funguje termojadrová fúzia?

Tieto špičkové reaktory fungujú na úplne opačnom princípe, než konvenčné atómové elektrárne. Kým po celom svete v reaktoroch prebieha štiepna reakcia a zložité jadrá uránia-235 sa rozpadávajú na ľahšie prvky, počas termojadrovej fúzie prebieha opačný proces – ľahšie prvky sú nasilu spájané do ťažších a zložitejších, pričom emitujú veľké množstvo energie.

NASA/GSFC/SDO

Ide o rovnaký proces, ktorý poháňa väčšinu hviezd. Počas neho dochádza k zlúčeniu ľahkých prvkov do ťažších, pričom je uvoľnená energia, píše UK Atomic Energy Authority. Väčšina moderných reaktorov využívajúcich tento proces používa dva izotopy vodíka – deutérium a rádioaktívne trícium. Oba tieto prvky sa na Zemi vyskytujú prirodzene.

Deutérium je stabilný izotop, ktorý tvorí asi 0,03% hmotnosti všetkého vodíka v oceánoch. Na druhej strane trícium je nestabilný izotop, ktorého polčas rozpadu je vyše dvanásť rokov a na Zemi sa nachádza vďaka interakcii kozmických lúčov s atmosférickými plynmi. Je však veľmi vzácny a vo väčšom množstve ho produkujeme najmä ožarovaním lítia.

História výskumu jadrovej fúzie a jej pretavenia do energetického zdroja siaha do prvej polovice 20. storočia. Prvú fúziu na Zemi dosiahli fyzici Marcus Laurence Elwin Oliphant, Paul Karl Maria Harteck a Ernest Rutherford v roku 1934 a to pomocou urýchľovača častíc, ktorým zrážali atómy deutéria.

Prvé stroje, ktoré mali potenciál tento proces efektívne využiť, uzreli svetlo sveta v 50-tych rokoch. Stáli za nimi sovietski fyzici Igor Jevgenejič Tamm, Andrei Dmitrijevič Sacharov a Oleg Aleksandrovič Lavrantiev. Prišli s reaktorom, ktorý dnes poznáme pod názvom tokamak (toroidná komora s magnetickými cievkami) a je najsľubnejším spôsobom, ktorým dosiahnuť stabilnú a efektívnu fúziu, informuje World Nuclear Association.

Princeton Plasma Physics Laboratory

Tokamak – skrotené jadro hviezdy a budúcnosť energetiky

Tokamak je komora, ktorá pomocou silného magnetického poľa udržiava plazmu v tvare kruhovitého prstenca. Nejde síce o jediný spôsob udržania jadrovej fúzie, rozhodne je však tým najsľubnejším a najrozšírenejším. Dodnes však prechádzajú vývojom – len nedávno vedci prišli na to, ako zvýšiť stabilitu fúzie.

Prvý funkčný tokamak je dnes pripisovaný ruskému fyzikovi Natanovi Aronovičovi Javlinskemu, ktorý ho skonštruoval v roku 1958. V polovici 70. rokov už boli po celom svete desiatky tokamakov, všetky pripravené na fúziu. Žiaden z nich ale nedosahoval dostatočnú efektivitu a vložená energia prevyšovala vyprodukovanú.

Na scénu preto prišli nové stroje, ktoré využívali práve deutérium a trícium – miesto vyriešenie problému ale predstavili úplne nové výzvy. Zostrojenie efektívneho termonukleárneho reaktora sa ukázalo ako príliš zložité pre jednu krajinu a v roku 1979 započalo snaženie o medzinárodnú spoluprácu, ktorú dnes poznáme ako ITER.

Medzinárodný experimentálny termonukleárny reaktor – ITER

ITER, odvodený od skratky Medzinárodného experimentálneho termonukleárneho reaktoru a neskôr premenovaný na Iter (z latinčiny „cesta“), je najväčším tokamakom momentálne vo výstavbe. Jeho konštrukcia započala v roku 2013 a v dnešnej dobe je hotový na vyše 70 %, píše ITER.

ITER

Tento najväčší termonukleárny reaktor na svete má vážiť až 23 000 ton, pričom bude domovom najväčšej vákuovej komory s objemom 16 000 m3. Pre dosiahnutie fúzie je plazma zahriata až na 150 miliónov °C. Pre porovnanie, teplota v jadre nášho Slnka je „len“ 15 miliónov °C. Len nedávno dosiahol svetový rekord kórejský reaktor, ktorý dosiahol teplotu plazmy 100 000 000 °C.

Aj keď znie táto teplota hrozivo a nebezpečne, v skutočnosti nie sú dôvody k obavám. V reaktore sa nikdy nebude nachádzať viac než niekoľko gramov vodíka naraz a v prípade akéhokoľvek úniku dôjde k okamžitému ochladeniu a uhaseniu reakcie.

Termonukleárny reaktor je v skutočnosti oveľa bezpečnejší, než klasické atómové elektrárne, pretože nehrozí únik veľkého množstva radiácie. Rádioaktívne je jedine trícium, kvôli ktorému je ITER vybavené mnohými vrstvami a bariérami z ocele a betónu. Jeho polčas rozpadu je navyše pomerne krátky a jeho množstvo je nízke. Produktom takejto fúzie je len hélium.

ITER

Výstupný výkon tohto reaktora je 500 MW a to zo vstupných 50 MW. Energetická návratnosť je teda 10-násobná a zachytenú energiu nepremení priamo na elektrickú, keďže ide len o experimentálny reaktor. Montáž samotného tokamaku pritom započala len v minulom roku.

Zisk fúznej energie je označovaný písmenom Q a rekord dodnes drží európsky tokamak JET, ktorý v roku 1997 vyprodukoval z 24 MW len 16 MW (Q=0,67). Ak ITER naplní očakávanie, dosiahne zisk fúznej energie Q=10.

Komplexné výpočty však zahŕňajú všetku energiu potrebnú pre operáciu a v takom prípade je Q rovné číslu 1,6 – z 300 MW vyprodukuje 500 MW. V prípade JET to bolo len 16 MW z až 700 MW, čo je extrémna energetická strata. Opäť však šlo len o experiment, ktorý posunul jadrovú energetiku o veľký krok vpred.

Extrémne chladené magnety a zložitá konštrukcia

Pre udržanie množstva horúcej plazmy na svojom mieste je potrebné množstvo extrémne silných magnetov. Tie zariadenie ochladí na -269 °C a objem plazmy v toroidnej komore je až 840 m3. Len samotný kryostat, teda vákuová komora, v ktorej je celý tokamak uložený, je vyhotovený z 3800 ton ocele.

Obrovská cievka, ktorá bude po potrebnom zvarení vákuovej komory osadená na svoje miesto. Zdroj: ITER

Konštrukcia tokamaku ITER pozostáva až z jedného milióna komponentov a 1 200 zásielok materiálu a zariadení. Tolerancie sú aj pri tých najväčších komponentoch často len 2 mm a zváranie vákuovej komory potrvá, ako informuje ITER, až dva roky a vyžiada si prácu dvoch stoviek technikov.

Prvú plazmu má ITER vyprodukovať v roku 2025, začiatok plnej operácie s deutériom a tríciom má započať až v roku 2035. Termonukleárny reaktor ako zdroj elektrickej energie je teda skutočne beh na dlhú trať.

Najväčšou výhodou má byť práve nízka ekologická záťaž a eliminácia škodlivých emisií. Klimatické zmeny totiž ohrozujú život na Zemi a niektoré z nich sú už nezvratné. Tak ako klasické jadrové elektrárne, ani tie termonukleárny priamo počas svojej funkcie neprodukujú emisie.

Aj pri započítaní nepriamych emisií ide o najzelenší spôsob získavanie elektrickej energie. Narozdiel od nich ale termojadrová elektráreň neprodukuje vysoko rádioaktívny odpad a nehrozí reťazovou reakciou. Fúzna reakcie je navyše schopná vyprodukovať až 4-násobne vyššie množstvo energie, než štiepna, upozorňuje IAEA.

Rádioaktívny odpad
Pixabay

Budúcnosť fúzie, v pláne je ešte väčší tokamak

Vývoj a stavba tokamaku ITER vo Francúzsku priniesli množstvo kľúčových informácií, ktorých počet ešte narastie po jeho uvedení do prevádzky. Už dnes je ale dokončený koncepčný dizajn tokamaku DEMO, ktorého konštrukcia má započať v 30-tych rokoch tohto storočia.

Pôjde o skutočné technologické monštrum, ktoré vyprodukuje 2000 MW energie, pričom vstupná energia dosiahne len 80 MW. Jeho Q tak dosiahne hodnotu 25 (podľa niektorých predpokladov až 50) a do plnej prevádzky vojde v 40. rokoch tohto tisícročia. To je tak dlho, že ľudstvo má dovtedy založiť trvalé kolónie na Mesiaci a s trochou šťastia dokonca aj na Marse.

Či dokáže táto technológia skutočne nahradiť jadrové elektrárne a stať sa efektívnym zdrojom elektrickej energie pre celé ľudstvo ukážu až testy najbližších rokov. Aj v prípade ich úspechu si ale na komerčné termonukleárne elektrárne počkáme ešte niekoľko dekád.

Pošli nám TIP na článok



Teraz čítajú

Články, ktoré hýbu svetom