V posledních letech stále větší množství lidí, hlavně ekologů, mluví o brzkém vyčerpání přírodních zdrojů a o znečištění naší planety odpadem z dnes využívaných procesů produkujících energii. Nejen, že získávání energie spalováním fosilních paliv je relativně málo účinné, neekologické, ale hlavně zásoby uhlí i ropy se neuvěřitelně rychle zmenšují. Jistým dočasným řešením jsou jaderné štěpné reakce, které jsou už čistší a efektivnější, ale stále to jaksi „není ono“. Hlavní nevýhodou je produkce vysoce radioaktivního odpadu.
Na počátku třetího tisíciletí, kdy se lidstvo rozvíjí mnohokrát rychleji, než tomu dosud bylo, je pomalu načase objevovat nový způsob získávání energie, protože její spotřeba je stále vyšší a za pár desetiletí už nemusí stačit ani nejmodernější atomové elektrárny.
Z dnešního pohledu se nejlepším řešením zdá být uskutečnění řízené termonukleární fúze.
Termonukleární fúze obecně je reakce, kdy se spojují jádra lehkých atomů za vzniku značného množství energie a jádra těžšího. Tyto reakce probíhají běžně ve vesmíru jako zdroje energie hvězd. Energie může být uvolňována několika cestami. Jednou z nich je tzv. uhlíko-vodíkový cyklus, navržený r. 1939 H. Bethem:
6C12 + 1H1 7N13 + γ
7N13 6C13 + e+ + ν
6C13 + 1H1 7N14 + γ
7N14 + 1H1 8O15 + γ
8O15 7N15 + e+ + ν
7N15 + 1H1 6C12 + 2He4
Výsledkem proběhnutí celého cyklu je syntéza jednoho jádra hélia ze čtyř jader vodíku. Množství uhlíku se nemění; uhlík je katalyzátorem. Tento cyklus probíhá stacionárně po milióny let při teplotách desítek miliónů stupňů, a to uvnitř žhavých hvězd. V nitru chladnějších hvězd (Slunce) může probíhat jiný cyklus, tzv. proton-protonový cyklus:
1H1 + 1H1 1D2 + e+ + ν
1D2 + 1H1 2He3 + γ
2He3 + 2He3 2He4 + 21H1
Pro nás zatím nejpravděpodobnější je reakce jader deuteria a tritia za vzniku jádra hélia a jednoho neutronu:
1D2 + 1T3 2He4 + 0n1 + energie
Tato reakce je nejméně náročná na ohřev a udržení plazmatu a je pro nás zatím jediná reálná. Ve vesmíru běžně probíhají i reakce složitější, ovšem za podmínek, které jsou na Zemi zatím neuskutečnitelné.
V podstatě je to jednoduché: stačí jádro deuteria a jádro tritia k sobě přiblížit tak, že přestanou působit odpudivé síly dané jejich souhlasnými náboji a začnou působit jaderné síly přitažlivé. Vznikne energie a odpadem je neškodný prvek – hélium, který se dá dále zpracovávat v jiných odvětvích průmyslu.
Problémem je právě, jak donutit dvě jádra se stejným nábojem, aby se dostatečně přiblížila. Jediným způsobem, jak toho dosáhnout, je, že do sebe jádra velkou rychlostí narazí. To se dá způsobit zvýšením teploty na takovou míru, kdy atomy kmitají tak rychle, že do sebe narazí a vzniklou energií se spustí řetězová reakce slučování jader.
Teploty potřebné pro takové reakce jsou řádově stamilióny stupňů Celsia. Takové teploty jsou jen v nitru hvězd a na Zemi jen při explozích atomových bomb, které tak mohou sloužit (a také slouží) jako roznětka, zapalující termonukleární syntézu v různých typech termonukleárních náloží.
Při uvedených teplotách jsou všechny atomy už dávno úplně ionizovány, vzniká směs „holých“ jader a elektronů – plazma. Aby se plazma nerozptýlilo do prostoru, tomu ve hvězdách zabraňují velmi silná gravitační pole generovaná ohromnými hvězdnými hmotami. Chceme-li plazma uzavřít v pozemských poměrech, musíme pochopitelně hledat jiný způsob. Především je třeba pracovat s velmi řídkým plazmatem (přibližně 1015 jader/cm3), a tak udržet tlak plazmatu při uvažovaných pracovních teplotách v rozumných mezích. Vlastní „stěny“, udržující plazma, nemohou být zhotoveny z žádného dosud známého hmotného materiálu, protože by plazma bylo znečišťováno těžkými příměsemi. Zbývá jediná možnost, jak udržet plazma ve vymezeném prostoru: pomocí vhodně volených elektromagnetických polí. Tato pole mají tedy nahradit „stěny“ nádoby, ve které je plazma uzavřeno. A to je právě ten problém, na jehož řešení se dnes intenzivně pracuje.
Plazma
Plazma je skupenství, v němž se nachází jakákoliv hmota zahřátá na dostatečně vysokou teplotu (to znamená, že tepelný pohyb částic hmoty v sobě nese značnou kinetickou energii; teplota a tepelná energie částic značí totiž v termodynamice totéž). Často se tak vedle tří známých skupenství, kterými hmota při zahřívání postupně prochází (pevné, kapalné, plynné), hovoří i o skupenství čtvrtém, plazmatickém. Co je to dostatečně vysoká teplota a jak hmota v tomto skupenství vypadá? Je to teplota, při níž se částice plynu pohybují již tak rychle, že se začínají svými vzájemnými srážkami "rozbíjet" na kladně nabitá jádra a záporně nabité elektrony. Místo známého plynu skládajícího se z elektricky neutrálních atomů tím tedy vzniká směs "plynů" dvou, tvořených částicemi majícími opačné elektrické náboje (ionty a elektrony). Teplota potřebná k tomuto procesu je srovnatelná s vazební energií elektronů v atomech a musí dosahovat, vyjádřeno ve stupních, desítek až stovek tisíc stupňů. Není proto divu, že hmota se vyskytuje na Zemi v přirozeném plazmatickém stavu jen velmi vzácně (např. blesk). Jinak je tomu však, vezme-li se v úvahu celý Vesmír. V něm tvoří "studené" planety jen zlomek celkové hmoty, zatímco kolem 99% veškeré hmoty se naopak nachází ve stavu plazmatu.
Neřízená termonukleární reakce
V pozemských podmínkách byly termonukleární reakce uskutečněny nejprve pouze jako neregulovatelné a lavinovité exploze, při nichž se během milióntin vteřiny uvolňuje nesmírné množství energie. Tyto reakce se uskutečňují pouze jako termonukleární zbraně. Náloží může být směs kapalného deuteria a tritia, rozbuškou je obyčejná atomová bomba. Značné výhod má i reakce lithia s deuteriem. V tomto případě tvoří výbušnou směs pevná látka – deuterid lithia LiD. V reálných podmínkách probíhá reakce s LiD složitěji, než bylo dříve uvedeno. Nedojde k přímému splynutí lithiových jader s deuteriovými, ale k vzniku tritia z lithia a potom teprve k realizaci termonukleární syntézy tritia s deuteriem.
Řízená termonukleární reakce
K vytvoření kontrolovaného termonukleárního energetického zdroje v pozemských měřítkách je třeba vybrat a získat vhodné palivo – nejlépe směs deuteria s tritiem nebo jen deuterium, což se předpokládá u fúzních reaktorů druhé generace.
Výroba termonukleárního paliva není v podstatě nijak obtížná. Deuterium získáme elektrolýzou těžké vody, a tuto vodu zase elektrolýzou obyčejné vody. Zásoby deuteria jsou prakticky nevyčerpatelné. Tritium vzniká v jaderných reaktorech ozařováním lithia neutrony:
3Li6 + 0n1 2He4 + 1T3
Dalším krokem je získání vysokoteplotního plazmatu. K tomu se používá několika metod:
Rázové vlny. Jedním z nejjednodušších způsobů, jak získat vysokoteplotní plazma, je metoda rázových vln. Trubice se naplní určitým plynem o nevysokém tlaku. Na jednom konci trubice, uvnitř malého prostoru odděleného od ostatního kovovou přepážkou, je výbušná směs. Při její explozi se přepážka roztrhne a tlaková vlna se šíří trubicí. Nejvyšší teplota vzniká při rázu plynu na protilehlé straně trubice. Dosahuje se tak teploty desetitisíců stupňů.
K metodám rázových vln patří způsoby získávání vysokých teplot pomocí kumulativních výbuchů. Na nádobku obsahující směs tritia s deuteriem se soustředí výbuchy konvenční výbušniny. Vzniká teplota postačující vyvolat termonukleární syntézu jak typu D+T, tak i v LiD.
Exploze drátků. Druhou metodou je metoda explodování tenkých drátků. Ve vakuu napneme mezi dvěma elektrodami tenký drát a necháme jím z kondenzátoru protéci mohutný proudový impuls. Drát se při okamžitém uvolnění vysoké energie vypaří; vznikne plazma o vysoké teplotě.
Mikrovlnné záření. Novou metodou je také způsob, kdy je palivová směs ozařována elektromagnetickým zářením o vysoké energii (mikrovlny, laser, …). Tento způsob se zdá zatím výhodný. V poslední době se experimentuje i s přenosem energie pomocí ultrazvuku.
Dnes se nejvíce používá způsob Vstřikování neutrálních svazků (NBI): Do proudu plazmatu v reaktoru jsou vstřikovány neutrální atomy vodíku, tritia nebo deuteria, kterým je udělena velká počáteční rychlost. Neutrální atomy mohou prostupovat magnetickým polem, které udržují plazma (viz níže). Předávají svou energii plazmatu a tím ho ohřívají, zároveň jde o způsob dodávání paliva do reaktoru.
Na tokamaku JET jsou instalovány dva systémy s neutrálními svazky, každý o délce pulsu 10s. Každý systém má osm zdrojů svazku.
Pokud tedy dokážeme vytvořit plazma o dostatečné teplotě, je třeba najít způsob, jak ho při této teplotě udržet a využít jeho energii:
Metoda elektrodynamického stlačení (pinch-efekt). Aby se získalo plazma a udrželo se při teplotě několika desítek miliónů stupňů, je toto plazma třeba izolovat od stěn nádoby, v níž je uzavřeno. Jinak plazma ztratí svou energii tepelnými ztrátami, především vyzařováním těžkých příměsí, jimiž je stěny nádoby „znečistí“.
K termoizolaci plazmatu bylo při prvních pokusech použito komprese plazmatu vlastním magnetickým polem (pinch-efekt). Je známo, že rovnoběžně tekoucí proudy se přitahují. Jestliže uvnitř válcové výbojové trubice uskutečníme výboj, začne plazma komprimovat, zužovat se k ose trubice. Stlačující se výbojová vrstva složená z elektronů, iontů (a jimi unášených reziduálních atomů plynu) je urychlována, dosáhne středu, a tam dojde k vzájemnému sražení vrstev. To má za následek prudké zvýšení tlaku a teploty přechodem kinetické energie uspořádaného pohybu v energii tepelnou. Vzniklý vysoký tlak a teplota způsobí expanzi plazmatu. Takovéto pulsy mohou nastat několikrát.
Procesy probíhající ve výbojové trubici jsou celkově dost složité.
Dále existuje ještě několik metod vytvoření a udržení plazmatu, např. toroidální výboje nebo magnetické pasti. Využívají magnetického pole cívek, které plazma udržuje v určitém objemu. Mezi magnetické pasti patří i stelarátor – toroidální komora zkroucená do tvaru osmičky opatřená vinutím vytvářejícím podélné magnetické pole.
Na podobném principu jako stelarátor pracuje i tzv. tokamak (viz obr. vpravo). Plazma se pohybuje ve vakuu v duté cívce transformátoru, aniž by se dotýkalo stěn. Dochází k velice složitým jevům, jejichž výsledkem je postupné ohřátí plazmatu na teplotu, při níž nastává termojaderná syntéza.
Provoz tokamaku
Provoz s hmotným limiterem
Za normálních podmínek se magnetické povrchy uzavírají do sebe a okraj plazmatu je vymezen magnetickým povrchem, který se dotýká limiteru (vakuové clony). Limiter je vyroben z materiálu snášejícího vysoké teplotní zatížení.
Díky limiteru je stěna vakuové komory chráněna před neúměrným zatížením při dopadu vysokoenergetických částic: částice, které unikly z centrální oblasti plazmatu, pohybující se však i nadále podél siločar magnetického pole, dopadnou na limiter.
Konfigurace nulového X-bodu
Tvar plazmatu je možné zadat tak, aby se vytvořila siločára toroidálního magnetického pole v místě, kde je poloidální pole nulové. Toto místo se nazývá nulový X-bod nebo též magnetický limiter. Směrem dovnitř od tohoto bodu jsou všechny magnetické povrchy uzavřené, směrem ven končí siločáry na stěnách komory. Může být vytvořena konfigurace s jedním nebo dvěma nulovými body na posledním uzavřeném magnetickém povrchu. Při práci v konfiguraci s X-bodem a s dodatečným ohřevem se může udržení plazmatu chovat buď stejně jako by plazma bylo ohraničeno pevným materiálovým limiterem - tento režim je nazýván „mód s nízkým udržením" (L-mód) - nebo může za určitých podmínek přejít do tzv. „módu s vysokým udržením" (H-mód), v němž je udržení plazmatu značně zlepšeno.
Disrupce (přetržení sloupce plazmatu)
Je-li při daném proudu plazmatem překročena jistá maximální možná hustota, dochází k přetržení (rozpadu) prstence plazmatu. Udržení plazmatu je náhle narušeno a elektrický proud klesá velmi rychle na nulu. V tomto okamžiku působí na součásti zařízení velké mechanické a tepelné rázy.
Inerciální udržení (ICF)
Jinou možností, jak dosáhnout termojaderné fúze, je extrémně rychlé ohřátí hmoty, kdy prudké zvýšení teploty zabrání vnějším vlivům v působení na reagující hmotu. K provedení takové operace je nutné vytvořit tabletu zmrazeného vodíku, která se spustí do speciální komory. Zde ji zasáhne puls energie laseru namířeného z několika směrů. Tímto rychlým zásahem nastanou v tabletě podmínky pro jadernou fúzi. Během zlomku sekundy (asi 2.10-9 sekundy) se vytvoří využitelná energie. Toho by se mělo dosáhnout neustálým bombardováním stále nových vodíkových tablet laserem.
Takto výkonné zařízení nebylo doposud zkonstruováno.
Metody praktického využití termonukleární energie
Nejjednodušším způsobem využití termojaderné energie jsou samozřejmě termonukleární zbraně.
Rozbušku tvoří jakákoliv výbušnina (případně menší atomová nálož). Touto primární explozí vznikne energie dostatečná pro vyvolání řetězové reakce D+T nebo v LiD. Sekundární explozí vznikne vysokoteplotní plazma, které se rozpíná. Zároveň je do prostoru vyzářeno množství neutronů o velké rychlosti a energii a několik druhů elektromagnetického záření.
Fúzní reaktory. Když je vyřešen problém s udržením plazmatu, je zbytek konstrukce reaktoru celkem jednoduchý. Pro nás zatím nejpoužitelnější by byla reakce D+T.
Do vakuové nádoby, kde probíhá reakce, je vstřikováno deuterium a tritium. Vzniká helium a značně urychlené neutrony o energii přibližně 14,1 MeV. Neutron vnikne do obalu reaktoru, kterým proudí voda, pružnými srážkami předá prakticky všechnu svou energii molekulám vody, čímž dojde k jejímu ohřevu. Cirkulující voda předává běžným způsobem energii dále až k turbíně s generátorem elektrického proudu.
Menší problém je, jak regenerovat spotřebované tritium, které je značně drahým materiálem. Při termonukleárních reakcích je regenerace možná. Emitované neutrony budou nejprve pohlcovány vrstvou berylia, olova, vizmutu nebo jiného materiálu s vysokým účinným průřezem pro reakci (n, 2n) a zvětší se tok neutronů. Ty budou absorbovány lithiem 3Li6 v plášti reaktoru a proběhne známá reakce produkující tritium:
3Li6 + 0n1 1T3 + 2He4
Elektrárny fungující na principu termonukleární fúze jsou nejvýkonnější a nejekologičtější ze všech dosud známých typů elektráren. Tepelné elektrárny produkují obrovské množství škodlivých plynů a popílku ekologické druhy elektráren nejsou moc účinné. Ne každá země má dostatečné množství využitelných vodních toků nebo větrných plání. Sluneční elektrárny potřebují velkou plochu pro relativně malý výkon a je třeba vyřešit dodávání energie v noci a za nepříznivého podnebí.
Palivo a odpad z elektrárny o výkonu 1000 MW za jeden rok
Typ Palivo Odpad
Uhlí 2500000 tun 1095000 tun CO2
219000 tun SO2
29000 tun NO2
+CO, +popílek
Ropa 11000000 barelů
=1749000000 litrů
(57 litrů za sekundu)
Jaderná energie 28 tun uranové rudy
68 kg za den 28 tun vysoce radioaktivního odpadu
Sluneční Solární panely 20 m2 + zásobníky na noc a oblačné dny
Fúzní energie 180 kg deuteria
270 kg tritia (z 590 kg lithia) 410 kg helia
Základní paliva fúzního reaktoru (deuterium a lithium), stejně jako "popel" (helium), nejsou radioaktivní. Avšak i fúzní reaktor bude obsahovat radioaktivní materiály, a to tritium, které je bezprostředním palivem (vznikne z lithia) a aktivované konstrukční materiály.
Obsah tritia v plazmatu (asi 1 g) může energeticky udržovat reakci 2-3 minuty. Reakce se samovolně zastaví během 10-20 vteřin, přerušíme-li přívod paliva. Jakkoli malý přítok příměsí uhasí reakci okamžitě.
Pro srovnání: aktivní zóna štěpného reaktoru obsahuje asi sto tun paliva, které stačí na produkci energie po dobu 3 let.
Systém zpracování paliva na stanovišti fúzního reaktoru bude sloužit:
→ pro dočasné uložení, čištění a znovu použití nespáleného paliva
→ pro získání tritia z plodící obálky jako náhrady shořelého tritia
Celkový obsah tritia na stanovišti reaktoru bude řádově 1 kg , avšak předpokládá se, že při eventuální nehodě může uniknout jen menší část (pouze několika stovek gramů). Tritium je "relativně neškodný" radioaktivní prvek([20]), protože
a) při rozpadu emituje pouze měkké záření γ, takže je pouze nebezpečný při vdechnutí nebo požití.
b) jako vodík se může podílet na stavbě živých organismů, ale jeho biologický poločas je dostatečně krátký
c) Má poločas rozpadu pouze 12.3 roku, což znamená, že nevytváří dlouhodobý problém zamoření. Na druhé straně je to dostatečně dlouhý čas vzhledem k době života organismů.
Jiný pramen uvádí:'Tritium je nebezpečné především proto, že prostřednictvím vody se zúčastňuje na biologických cyklech, kde svojí aktivitou působí poměrně dlouho.'
Nebezpečná situace by mohla nastat, pokud by při nehodě uniklo tritium nebo aktivovaný konstrukční materiál do reaktorové haly. Tato hala, je-li navržena odpovídajícím způsobem, nemůže být nikdy zničena působením okamžité energie, obsažené v reaktoru; ta je totiž ve srovnání se štěpným reaktorem velmi malá. Lze tedy oprávněně očekávat, že žádná eventuální vnitřní nehoda nebude nikdy vyžadovat evakuaci obyvatelstva.
Vliv na životní prostředí
Kromě zavezení paliva na začátku provozu fúzního reaktoru, žádná další potřeba transportu nebo zpracování radioaktivního paliva mimo stanoviště reaktoru není.
Neutrony z fúzní reakce budou aktivovat konstrukční materiály reaktoru a zkracovat tak jejich životnost. Podle výsledků výzkumu bude nutno v průběhu přibližně 30leté životnosti elektrárny vyměnit asi čtyřikrát první stěnu a plodící obálku. Po konečném odstavení fúzního reaktoru zbude asi 25 000 m3 pevného radioaktivního odpadu. Toto množství je srovnatelné s odpadem ze štěpného reaktoru, avšak biologická nebezpečnost odpadu z fúzního reaktoru, obsahující vesměs standardní materiál, je po 100 letech více než tisíckrát menší. Tato příznivá vlastnost plyne z nepřítomnosti aktinidů a z mnohem kratších poločasů rozpadu aktivovaných materiálů.
Výzkum možnosti recyklování materiálu hlavních částí fúzního reaktoru po 50 až 100 letech je dlouhodobým úkolem materiálového inženýrství. Nové technologie, minimalizace obsahu tritia a vývoj nových materiálů s nízkou aktivací zajistí, že fúzní reaktor bude atraktivní z hlediska jeho vlivu na životní prostředí. Navíc může fúzní reaktor ve vzdálenější budoucnosti používat palivo, které produkuje méně radioaktivity a neobsahuje tritium.
Fúzní reaktory přinášejí jen málo rizik v souvislosti s problémy šíření nukleárních technologií, nicméně musí být zachovávána jistá bezpečnostní opatření pro hospodaření s tritiem.
Výroba elektřiny ve fúzních reaktorech vyloučí emise CO2, SO2 a NO2, které poškozují životní prostředí a mohou vést k nebezpečným změnám klimatu.
Historie výzkumu
Již v r. 1927 podal patent týkající se "Metody výroby helia s využitelným uvolňováním reakční energie" za pomoci elektrolýzy koncentrací vodíku na povrchu palladia jistý Tandberg ve Švédsku. Ke konci dvacátých let Atkinson a Houtermans předložili myšlenku, že Slunce "hoří" v důsledku jaderných slučovacích reakcí.
V roce 1934 se podařilo Rutherfordovi, Oliphantovi a Harteckovi sloučit dvě deuteria s následným rozpadem na 2He3 a neutron nebo tritium a proton, přičemž při obou reakcích došlo k uvolnění energie: to byl první experimentální důkaz existence fúzní reakce.
Výzkum jaderné fúze v USA a SSSR vyšel z vojenského výzkumu atomové energie, prováděného během a po druhé světové válce.
Prohlášení argentinského diktátora Juana Perona v r. 1951 o vývoji fungující fúzní elektrárny v Argentině bylo bezprostředním důvodem výzkumu započatého v Princetonu (USA) astrofyzikem Lymanem Spitzerem.
V roce 1951 navrhli sovětští fyzici Andrej Sacharov a Igor Tamm zařízení, které bylo později nazváno tokamak (tok a magnytnyje katuški).
Ve Velké Britanii byl výzkum prováděn především v Harwellu. Známé je odtud především zařízení ZETA, z něhož byla počátkem roku 1958 oznámena produkce jaderných fúzních neutronů. Toto tvrzení bylo později odvoláno, poněvadž bylo zjištěno, že neutrony vznikají zcela jiným mechanizmem.
Až do roku 1958 byl veškerý výzkum řízeného slučování utajen. Veškerý výzkum řízeného jaderného slučování byl utajován až do druhé Konference o mírovém využití atomové energie v Ženevě v r. 1958. Výměna informací na této konferenci totiž ukázala, že k dosažení pokroku je třeba hlubšího pochopení chování plazmatu. Během šedesátých let bylo proto úsilí soustředěno na základní výzkum.
V roce 1968 bylo dosaženo zásadního přelomu na zařízení Tokamak v Ústavu Atomové Energie v Moskvě (I.V. Kurčatov). Během další dekády pak došlo k širokému rozšíření výzkumu udržení plazmatu pomocí tokamaků po celém světě.
V sedmdesátých letech vstoupil výzkum fúze do "Velké vědy". Cena a složitost zařízení totiž stále rostla a financování a odbornost začaly vyžadovat mezinárodní spolupráci.
V roce 1978 začalo Evropské společenství (spolu se Švédskem a Švýcarskem) stavět nedaleko Culhamu v Anglii Joint European Torus (JET). Prvé plazma bylo v tomto zařízení vytvořeno v červnu 1983. V roce 1991 bylo, ještě před uskutečněním světově proslavených úspěšných experimentů s deuterio-tritiovým plazmatem v listopadu téhož roku, dosaženo v deuteriovém plazmatu v přepočtu na D-T reakci tzv. "breakevenu" (tj. Q=1, neboli uvolňovaný fúzní výkon by se vyrovnal energetickým ztrátám plazmatu).
V roce 1978 bylo v USA na zařízení "Princeton Large Torus" dosaženo teploty plazmatu převyšující 60 milionů stupňů. Během osmdesátých let pak byly experimenty v Princetonu prováděny na zařízení TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor).
V Japonsku jsou významné experimenty prováděny od konce roku 1986 na zařízení JT-60 (po modernizaci značeném jako JT-60U), svými rozměry se blížícím JETu.
Výzkum v ČR
Do výzkumu horkého termojaderného plazmatu se zapojili i naši fyzici a to prakticky ihned od počátku. Ústav fyziky plazmatu Akademie Věd České republiky oslavil totiž v roce 1999 již 40 let svého trvání. Již od šedesátých let to byly především uznávané práce našich teoretiků, jejichž část se nakonec stala počátkem devadesátých let i součástí oficielních dokumentů projektu ITER. Experimentální výzkum se týkal z počátku jen plazmatu bez udržení, s teplotou nedostatečnou pro jeho plnou ionizaci (s teplotou "jen" několika desítek tisíc stupňů). Výzkum skutečně horkého plazmatu započal až koncem sedmdesátých let, kdy ústav převzal jeden z prvních tokamaků vyrobených v Ústavu atomové energie v Moskvě. Po celkové rekonstrukci dostalo zařízení název CASTOR (Czech Academy of Sciences TORus). Na tomto malém tokamaku (objem komory 80 litrů) se za skromných podmínek skupina několika experimentálních fyziků a studentů snaží přispět k úsilí pochopit příčiny zvýšených ztrát energie z tokamaků, bránících v současné době tomu, aby již stávající generace těchto zařízení dosáhla zapálení termojaderné reakce. Navíc se spolu s teoretickými fyziky snaží nalézt a ověřit nový způsob vytváření elektrického proudu v těchto zařízeních vysokofrekvenční vlnou, to znamená bez použití transformátoru, který představuje pro trvalý provoz tokamaku-reaktoru principielní nevýhodu.
Získání energie pomocí jaderné syntézy má celou řadu předností před energií ze štěpných reakcí. Předně palivo je k dispozici v prakticky neomezeném množství (deuterium v oceánech by jí poskytlo lidstvu na milióny let). Při těchto reakcích nevznikají štěpné produkty, odpadá vnější palivový cyklus, přepracování a ukládání vyhořelého paliva. Nehrozí také nebezpečí výbuchu, alespoň jaderného. U těchto reakcí neexistuje kritická velikost a nadto by v termojaderném reaktoru bylo vždy nanejvýš několik gramů paliva. Neutrony vznikající při reakci deuteria a tritia vyvolají sice určitou radioaktivitu, ale ta je menší než radioaktivita štěpných produktů a nemůže ohrozit okolí. Je třeba jisté opatrnosti při manipulaci s tritiem, ale lze ji technicky zvládnout. Navíc bude v budoucnosti možno přejít na takzvané 'čisté' reakce, bez tritia, neutronů a záření gama.
Proč to zatím nefunguje?
Teoreticky, na papíře, je funkce fúzních reaktorů jednoduchá. Ovšem v praxi je dnes stále velký problém vytvořené plazma udržet ve vymezeném prostoru nebo jeho energii dokonce využít k výrobě elektřiny. Jistý vliv na rychlost vývoje použitelných fúzních elektráren má také politika. Ne každá vláda země je ochotna obětovat ročně řádově miliardy dolarů na výzkum. Nejlevnějším využitím termonukleární fúze tak bohužel stále zůstávají termonukleární zbraně. To samozřejmě není zrovna to nejlepší, ale alespoň armáda se tak vývojem trochu zabývá, což by nakonec mohlo být prospěšné. Vždyť mnoho dnes běžných vynálezů bylo původně používáno jen pro vojenské účely.
Evropský tokamak JET byl projektován za účelem výzkumu fyziky velmi vysokých teplot při termojaderné fúzi. V roce 1997 uvolnil JET termojadernou energii a to s lepším výsledkem než se očekávalo.
Výsledky tokamaku JET jsou velmi povzbudivé pro následující krok – Mezinárodní termojaderný experimentální reaktor ITER, který je ve fázi projektových příprav a který by měl produkovat 1500 MW fúzního výkonu.
Evropský tokamak JET provedl v roce 1997 rozsáhlou sadu měření použití směsi deuteria a tritia (D:T – 50%:50%), tj. paliva, které se bude používat ve fúzních elektrárnách. Smyslem pokusů bylo studium:
- fyziky fúzního plazmatu
- produkce fúzního výkonu.
Výzkum na tokamaku JET je zvlášť cenný pro další vývoj prací na projektu Mezinárodního termojaderného experimentálního reaktoru ITER, protože JET je mezi všemi existujícími fúzními zařízeními jediný, který je schopen pracovat s D – T plazmatem a je nejbližší reaktoru ITER svou geometrií a svým výkonem.
Výsledky získané při pokusech s deuteriem a tritiem potvrzují dřívější předpoklady učiněné pro fúzní plazma reaktoru ITER na základě studia deuteriového plazmatu. Tyto výsledky dokonce ukazují, že některé charakteristiky jsou ve směsi D – T dokonce lepší, než se očekávalo.
JET vytvořil světový rekord ve fúzním výkonu (16,1 MW) a ve faktoru fúzní energetické bilance Q = 0,65, tzn. uvolněný fúzní výkon dosáhl 65% čistého výkonu zaváděného do plazmatu z vnějších zdrojů. JET vytvořil rovněž světový rekord v uvolněné fúzní energii (21,7 MJ) v režimu vhodném pro ITER. Doba trvání kvazistacionární fáze výboje (3,5 s) byla omezena pouze trváním neutrálního svazku a mohla být prodloužena.
Zdroje použitých informací:
Bystrov, K. N., Karjakin N. I., Kirjev, P. S. – Přehled fyziky, Moskva 1964 (č. překlad RNDr. Lubomír Sodomka, – Praha 1970)
http://www.ipp.cas.cz/tok amak/fuze/texty.pdf
http://server.ipp.cas.cz/ ~rieger/texty/html/index. html
http://vega.fjfi.cvut.cz/ docs/sfbe/tokamak/index.h tml
http://www.ipp.cas.cz/cgi -bin/csaczech/toASCII.cgi /tokamak/fuze/tt.htm
http://www.ereferaty.cz/i ndex.asp?c=view&ID=33 2
In.: abc č. 15, roč. 44