***
Štefánikova hvězdárna
observatory.cz > Novinky z astronomie > Kompaktní fúzní reaktor – nastal průlom ve fúzi?

Kompaktní fúzní reaktor – nastal průlom ve fúzi?

Fyzika 27.10.2014 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 ITER, 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 NASA 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.

 

Reaktor na korbě většího nákladního automobilu

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 alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny 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. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.

Tokamak – TOroidnaja KAmera i MAgnitnaja Katuška, 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 při termojaderné fúzi. Princip tokamaku navrhl v letech 1950 až 1952 Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu.

ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor, Mezinárodní termojaderný pokusný reaktor. 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 2020. Předpokládá se, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou první skutečné termojaderné elektrárny.

Jaderná energie

Atomová jádra se skládají z neutronů a protonů 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 Slunci. Je zřejmé, že v přírodě je fúzní reakce zcela funkční, bez ní by hvězdy neexistovaly. Velkým snem je 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 plazma po dostatečně dlouhou dobu dostatečně husté a horké. Ve hvězdách jsou tyto podmínky zaručeny přirozeným způsobem. Na Zemi 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 protonů, což je velmi pomalá reakce ovládaná slabou interakcí. V pozemských podmínkách musí být fúzní reakce podstatně rychlejší, a proto se začíná až slučováním deuteria. Často uváděný slogan „Zapálíme Slunce na Zemi“ je tak poněkud zavádějící.

 

Mléčná dráha

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 plazmových vláknech (tzv. pinčích), která jsou stlačována vlastním magnetickým polem. Myšlenka udržení plazmatu v magnetické pasti se později rozvinula a vedla k tokamakům 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 uranu vhodného pro štěpení omezené. Při štěpení vzniká radioaktivní odpad, který se musí dlouhodobě skladovat a který je aktivní i po tisících letech. Fúze využívá deuterium a tritium. Deuterium je obsaženo v oceánech ve velkém množství a jeho zásoby jsou v podstatě nevyčerpatelné. Tritium vzniká na periferii reaktoru při ostřelování jader lithia 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

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

Stavba prototypu reaktoru. Zdroj: Lockheed Martin.

 

Supravodivé magnety uvnitř komory reaktoru

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

  1. Lockheed Martin: Compact Fusion
  2. Guy Norris: High Hopes – Can Compact Fusion Unlock New Power For Space And Air Transport?; Aviation Week, 14 Oct 2014
  3. Guy Norris: Skunk Works Reveals Compact Fusion Reactor Details; Aviation Week, 15 Oct 2014
  4. Reuters: Lockheed announces breakthrough on nuclear fusion energy; The Gardians, 15 Oct 2014
  5. YouTube: Lockheed CFR; Lockheed Martin
Fyzika 27.10.2014 Petr Kulhánek