Hviezda spútaná v reaktore

Termonukleárna fúzia by mohla vyriešiť energetické problémy ľudstva, o jej ovládnutí snívajú vedci už viac ako 70 rokov. Dúfajú, že v špeciálnom reaktore – tokamaku naštartujú reakcie prebiehajúce v jadrách hviezd a využijú ich ako stabilný a čistý zdroj energie.

Vďaka termonukleárnej fúzii svieti Slnko a iné hviezdy a je to najrozšírenejší zdroj energie vo vesmíre. Projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Medzinárodný termonukleárny experimentálny reaktor) by mal dokázať, že ľudstvo by mohlo termonukleárnu fúziu využiť ako stabilný a čistý zdroj energie. Ide o najväčší a najnákladnejší projekt na svete v oblasti termojadrovej fúzie. V blízkej budúcnosti však tento projekt ešte neprinesie technológie, ktoré by ľudstvu poskytli stabilný a dlhodobý zdroj energie. ITER by sa však mal stať dôležitým medzistupňom k stavbe termojadrových elektrární a prvému fúznemu reaktoru, ktorý vyrobí viac energie, ako je potrebné vynaložiť na zapálenie termonukleárnej rekcie. Jeho nástupcom by sa mal stať prototyp fúznej elektrárne DEMO.

Najväčší na svete

Výskumné zariadenia tohto grandiózneho projektu sa budujú neďaleko francúzskeho mesta Cadarache, asi 50 kilometrov na sever od Marseille, a ich výstavba sa začala v roku 2007. Podľa aktualizovaného harmonogramu z roku 2016 sa predpokladá získanie plazmy v reaktore v roku 2025 a jeho sprevádzkovanie na plný výkon v roku 2035.

Riadená termonukleárna reakcia by sa v budúcnosti mohla stať pre ľudstvo zdrojom takmer nevyčerpateľnej, čistej, stabilnej a bezpečnej energie.

Ide o najväčší tokamak na svete a na jeho stavbe sa okrem štátov Európskej únie podieľa aj Japonsko, Čína, USA, India, Rusko a Južná Kórea. Ak bude projekt úspešný, mala by byť v roku 2040 až 2050 postavená prvá termonukleárna fúzna elektráreň. Sprevádzkovanie reaktora bude prelomom vo vývoji termojadrovej fúzie. Objem komory reaktora je 840 m3. Plánovaný výkon by mal byť 500 MW počas zapálení pulzov plazmy trvajúcich minimálne 500 sekúnd. Palivom pre reaktor bude dávka asi 0,5 g zmesi deutéria a trí- cia (ťažký a superťažký izotop vodíka). Odpadovým pro- duktom reakcie je hélium a prúd neutrónov, ktorý v obálke reaktora vyrobí teplo, a štiepením lítia prítomného v obálke aj jednu zo zložiek paliva, rádioaktívne trícium. Projekt ITER má niekoľko konkrétnych cieľov, pričom všetky sa týkajú vývoja realizovateľnej fúznej elektrárne. Hlavným cieľom je krátkodobo vyrábať desaťnásobne viac tepelnej energie z fúznej reakcie, ako je tepelná energia dodávaná pomocným ohrevom na jej udržanie. To predpokladá vyrobiť plazmu, zapáliť ju a udržať v horiacom stave v tzv. samoudržiavanej plazme. Dôležité bude udržať plazmový výboj a vyvinúť technológie a procesy pre fúznu elektráreň vrátane supravodivých magnetov, ale aj overiť predpoklady o získavaní trícia štiepením lítia v obálke reaktora. Lítiový plášť obklopuje celú komoru reaktora. Pri reakcii neutrónov a lítia vzniká trícium, ktoré sa ako palivo odvádza späť do reaktora. Energia vznikajúca pri fúzii sa bude využívať rovnakým spôsobom ako v súčasných elektrárňach – na výrobu elektrickej energie, prípadne na výrobu tepla.

Princíp termonukleárnej fúzie

Termonukleárna fúzia je proces, pri ktorom sa zlučujú jadrá atómov ľahších prvkov, vznikajú ťažšie jadrá a uvoľňuje sa veľké množstvo energie, ktoré je úmerné rozdielu pokojových hmotností jadier pred zlúčením a po ňom. Na jej dosiahnutie je potrebné, aby sa reagujúce jadrá priblížili k sebe natoľko, že príťažlivá jadrová sila prevládne nad elektrickou odpudivou silou (jadrá atómov sú nabité kladne). Aby častice prekonali odpudivú elektrickú silu, musia sa vzájomne zrážať veľkou rýchlosťou. Najefektívnejší spôsob, ako to dosiahnuť, je ohriatie paliva na veľmi vysokú teplotu. V pozemských podmienkach je z hľadiska energetického využitia najvhodnejšia reakcia deutéria a trícia. Pri tejto reakcii vzniká hélium a neutrón. Spomenutá reakcia je vhodná najmä kvôli najnižšej potrebnej zápalnej teplote zo všetkých vhodných termonukleárnych reakcií. Ide o teplotu na úrovni stoviek miliónov stupňov Celzia. Vďaka vysokému tlaku vyvolanému gravitačnými silami prebieha termojadrová fúzia v jadre Slnka pri teplote iba 10 miliónov °C. Plyn zahriaty na takúto vysokú teplotu sa mení na plazmu. Plazma je tvorená atómovými jadrami (iónmi) a elektrónmi vytrhnutými z atómového obalu. Vďaka svojim osobitým vlastnostiam dostala prívlastok štvrté skupenstvo hmoty. Aj keď plazma tvorí viac ako 99 % hmoty vo vesmíre, na Zemi sa takmer vôbec nevyskytuje. S využitím súčasných technológií dokážeme na Zemi dosiahnuť len asi 10 miliárdnásobne nižší tlak ako na Slnku. Aby sa dosiahlo zapálenie fúznych reakcií v dostatočnom rozsahu, musí byť toto obmedzenie vyvážené omnoho vyššou teplotou – až 100 miliónov °C. Takáto teplota plazmy sa dosahuje v súčasných experimentálnych reaktoroch pomocou výkonného ohrevu. V prípade tokamaku ITER sa využíva prúdový ohrev, vysokofrekvenčný ohrev, injektovanie neutrálnych častíc do plazmy a adiabatická kompresia. Aby sa predišlo výrazným tepelným stratám, musí byť plazma izolovaná od stien reaktora silným magnetickým poľom, ktoré udržiava nabité častice plazmy vo vymedzenom objeme. Na tomto princípe je založený koncept tokamaku – magnetickej nádoby v tvare prstenca.

prof. Ing. Vladimír Slugeň, DrSc.
Ústav jadrového a fyzikálneho inžinierstva,
Fakulta elektrotechniky
a informatiky STU v Bratislave
Vladimír Ješko
Foto www.iter.org a archív V. Slugeňa