29-8 Fúzne reaktory

29-8 Fúzne reaktory

Jadrové reaktory sú väčšinou úsporné a užitočné zdroje energie, ale majú svoje nedostatky. Černobyľ, či Fukushima neboli jediné havárie jadrových reaktorov, ale boli určite najzávažnejšie, s mimoriadnym dopadom pre životné prostredie aj pre hospodárstvo. Pri týchto haváriách síce nedošlo k jadrovému výbuchu, ale k zamoreniu značného územia, dá sa povedať kontinentálnych rozmerov. Menším haváriám dochádzalo už aj predtým, ale technológia sa rozvíjala, každý bol presvedčený, že jadrové elektrárne sú čím ďalej tým bezpečnejšie. V roku 1986 havária v Černobyle a o 25 rokov neskôr v roku 2011 havária vo Fukushime však potvrdili, že sú neustále okolnosti, ktorými sa nepočíta, alebo sú podceňované.

Aj keď pominieme túto otázku, stále je tu závažný problém so silne rádioaktívnymi rozpadovými produktmi vznikajúcimi pri štiepení jadrového paliva. V roku 2018 bolo aktívnych 456 jadrových reaktorov¹⁴ v 31 krajinách vo svete, a každá krajina má svoj spôsob ukladania rádioaktívneho odpadu. V USA tieto nebezpečné látky stláčajú, uzatvárajú do oceľových kontajnerov z nehrdzavejúcej oceli a ukladajú ich zaliate do betónu v málo dostupných oblastiach do suchých jaskýň. V Anglicku ich dávajú tiež do oceľových kontajnerov zaliatych do betónu, ale ponárajú ich do mora. Pri oboch metódach dúfajú, že uplynie mnohonásobok polčasu rozpadu, než kontajnery skorodujú, a dúfajú, že odpad už nebude nebezpečný, až sa uvoľní do prostredia.

V kapitole 28 (Štruktúra jadra) sme videli, že existuje aj iná možnosť uvoľnenia energie z jadrových reakcií. Pri fúznej reakcii, keď sa dve malé jadrá zlúčia do väčšieho, sa tiež uvoľní veľa energie.

Jadrová fúzia nie je výlučným vynálezom človeka; už miliardy rokov je hlavným zdrojom energie univerza. Budeme vidieť, v poslednej kapitole, že nesmierny tok energie prichádzajúci z nášho Slnka a hviezd je uvoľnená pri najjednoduchšej možnej jadrovej fúzii

411H →24He + 2e+ + 26,7 MeV.

Reakcia vyzerá veľmi jednoducho ale o to ťažšie ju vytvoriť na Zemi. V  strede Slnka sa spájajú v tejto reakcii vodíkové jadrá do jadier ťažších prvkov už miliardy rokov, čo však vyžaduje veľmi veľký tlak a teplotu až 20000000 K. Vysoká teplota je potrebná, lebo častice len pri dostatočne veľkej rýchlosti dokážu prekonať elektrostatické odpudzovanie (potenciálnu bariéru). Jediné miesto na Zemi, kde je k dispozícii potrebný veľmi veľký tlak a niekoľko miliónov stupňov, je v blízkosti vybuchujúcej atómovej bomby. Na základe tejto úvahy je princíp činnosti vodíkovej bomby zdanlivo jednoduchý. V princípe je dané všetko, pokiaľ atómovú bombu obklopíme vrstvou látky z  ľahkých atómov (používa sa deutérium, trícium, lítium deuterid - LiD). Keď atómová bomba vybuchne, sú splnené podmienky potrebné pre zlúčenie ľahkých jadier a pre uvoľnenie jadrovej energie.

Tento proces je ale ďaleko od toho, aby sa mohol odohrávať v elektrárňach. v krajinách, ktoré majú dostatok zdrojov a odborníkov, bol zahájený výskum pre zostrojenie termonukleárnych reaktorov, ktoré by napodobnili procesy v Slnku. Tak, ako čas plynul, sa však ukázalo, že sa jedná o  mimoriadne náročný vedecký, technický problém, finančne veľmi nákladný, a vývoj viedol k spojeniu úsilia viacerých krajín. Dnes je najväčšie úsilie sústredené do projektu ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ktorý v najväčšej miere financuje EU (45 %) a zvyšnú časť financuje ďalších šesť krajín¹⁵ približne v rovnakej miere. Podľa harmonogramu sa reaktor spustí experimentálne v roku 2035.

V termonukleárnych reakciách sa počíta s použitím ťažkých izotopov vodíka, deutéria (ktorého je v prírode dostatok) a trícia (ktorý je tak vzácny v  prírode, že ho musíme vytvárať v samostatných jadrových reakciách). Tieto izotopy sa dajú ľahko ionizovať a je možné ich urýchliť na energiu, ktorá zodpovedá teplote miliónom či miliardám kelvin.

Problém je v tom, že kam máme umiestniť túto plazmu – plyn pozostávajúci z ionizovaných častíc – kým prebehne medzi nimi dostatok zrážok, ktoré budú produkovať fúznu energiu. Komora so stenami z  nejakej látky neprichádza ani do úvahy. Pri styku plazmy so stenami komory by okamžite došlo k ochladeniu plazmy, a tiež k roztaveniu stien komory. Na rýchlo sa pohybujúce častice pôsobí magnetické pole veľkými silami, preto v experimentoch sa používajú dômyselne vytvárané silné magnetické polia, aby sa plazma uzavrela do určitej oblasti priestoru, ktorá sa podobá na prstenec. Problém je však veľmi náročný na riešenie. Prevláda presvedčenie, že v rámci projektu ITER sa ho podarí vyriešiť – predpokladá sa, že reaktor by mal byť schopný dodávať výkon 500 MW pri spotrebe 50 MW.¹⁶

Až reaktor ITER-u (alebo iného zariadenia na termonukleárnu fúziu) bude úspešne produkovať energiu, bude mať mnoho výhod oproti štiepnym jadrovým reaktorom. Nebude produkovať rádioaktívny odpad z paliva, ktorý by bolo treba zložitým spôsobom uskladňovať. Ruda uránu či tória (ktorý sa tiež dá použiť v produkčných reaktoroch k výrobe štiepneho paliva) je pomerne vzácna, je potrebné ich ťažiť, čistiť, obohacovať, čo všetko je veľmi nákladné. Deutérium sa však dá ľahko získať z morskej vody, v ktorej je nepredstaviteľné množstvo.

Celkové množstvo vody v oceánoch je približne 1,3 miliárd kilometrov kubických, a v každom kilometri kubickom vody je približne 100 miliónov ton vodíka, z toho 30 tisíc ton tvorí deutérium. Tohto paliva, teda len na Zemi, máme k dispozícii 1,3 × 109 × 3 × 104 ≈ 4 × 1013 ton. Fúzia 1 gramu deutériového paliva na 4He produkuje 5,8 × 1011 J energie. Deutérium, ktorý sa nachádza v  oceánoch predstavuje celkom energetickú zásobu 2,3 × 1031 J. V roku 2017 bola celosvetová ročná spotreba primárnych¹⁷ zdrojov energie 5,5 × 1020 J. Pri takejto spotrebe by zásoby stačili na 4 × 1010 rokov. To je 8 krát dlhšia doba, než bude Slnko svietiť na Zem a trikrát dlhšia doba, než je dnes uznávaný vek celého vesmíru. Celosvetová spotreba energie však neustále narastá tak, ako sa ľudstvo rozvíja. Ak zoberieme aj túto skutočnosť do úvahy (a predpokladáme, že rozvoj bude nezlomný), zásoby deutéria v moriach by ešte stále vystačili na 1000 rokov.¹⁸ Všetko to sú nepredstaviteľné doby a nepredstaviteľné spotreby. Musíme povedať dve veci. Jedna je, že dramatické skrátenie doby na 1000 rokov ukazuje aký dramatický je nárast spotreby energie ľudstva. Druhá vec je, že napriek dramatickému nárastu by deutérium z morí stále vystačil na 1000 rokov, a okrem morí na Zemi je tu celá slnečná sústava plná vodíku a deutéria. O  tisíc rokov, pri optimistickom a nezlomnom rozmachu ľudstva budú k  dispozícii zrejme aj iné zdroje energie.