Zpravodajský portál pro moderní generaci, která se zajímá o aktuální dění.
Zajímá tě aktuální dění? Zprávy z domova i ze světa najdeš na zpravodajském webu. Čti reportáže, rozhovory i komentáře z různých oblastí. Sleduj Refresher News, pokud chceš být v obraze.
Nepodařilo se uložit změny. Zkus se nově přihlásit a zopakovat akci.
V případě že problémy přetrvávají, kontaktuj prosím administrátora.
OK
Fedor Gömöry z Elektrotechnického ústavu slovenské Akademie věd v rozhovoru vysvětluje princip jaderné fúze a reaguje na mýty spojené s reaktory.
Jadernou fúzi označují média za potenciálně nevyčerpatelný zdroj energie. Technologie vzbuzuje zájem širší veřejnosti díky medializovaným rekordům v udržení fúze i soukromým investicím miliardářů. Dočkáme se ovšem komerčně rentabilního fúzního reaktoru během našich životů, nebo to vůbec není jisté?
Fedor Gömöry pracující v Elektrotechnickém ústavu slovenské Akademie věd se zabývá supravodivými magnety a podílí se na vědeckém vývoji supravodičů pro přelomový první reaktor, který má dokázat energetický potenciál jaderné fúze DEMO. Navzdory dlouhým desetiletím zdokonalování technologie se podle něj právě v posledních letech kolem jaderné fúze nastartoval neobvyklý mediální boom. Proč tomu tak je a jak vlastně vypadá cesta k reaktoru na jadernou fúzi?
V Refresheru ti nepřinášíme jen nejzajímavější témata dneška. Díváme se také na výzvy spojené s blízkou budoucností. Pokud chceš získat přístup ke všem našim zamčeným článkům a zároveň podpořit vznik mnoha dalších, neváhej a přidej se k předplatitelům Refresheru+.
Setkal jsem se s metaforou, že fúzní reaktor je v podstatě malé Slunce na Zemi. Je to správné přirovnání?
Ano, je to poměrně přesný obraz. Reakce, o kterou ve fúzním reaktoru usilujeme, je totiž identická s reakcí, která probíhá v jádru velkých hvězd, tedy i našeho Slunce.
Předpokládáme, že ve vesmíru funguje všude stejná fyzika a z teorie o vzniku vesmíru víme, že ve se hvězdách slučují jádra vodíku, přičemž se uvolňuje energie a vzniká helium. Dnes známe velikost i hmotnost Slunce, a tak umíme vypočítat tlak v jeho jádru a poznatky použít při stavbě reaktorů.
Jak ale můžeme vědět, jaká reakce probíhá v jádru Slunce? Dá se to odpozorovat?
To je spíše filozofická otázka. Všechno, co dnes jako vědci víme, je v podstatě předpoklad. Procesy v jádru Slunce samozřejmě nemůžeme experimentálně ověřit. Předpokládáme je, stejně jako předpokládáme, že na Měsíci není život. Všechno, co víme o věcech, které leží mimo naši bezprostřední zkušenost, předpokládáme na základě fyzikálních modelů. Dokud se ty neprokáží jako vadné, postupujeme podle toho, že fungují.
Zdroj: Refresher/Eduard Starkbauer
U fúzních reaktorů hovoříme o dosažení teploty přes 100 milionů °C. Je taková teplota potřebná i na Slunci?
V jádru Slunce je pro jadernou fúzi potřebná řádově nižší teplota, jelikož je tam mnohem vyšší tlak. Teplotu Slunce známe na základě fyzikálních výpočtů ze záření, které k nám přichází na Zemi.
Kdy lidé přišli na to, že ve Slunci vzniká helium?
Helium bylo objeveno a pojmenováno na základě pozorování slunečního světla. To, že hvězdy vytvářejí helium jadernou fúzí, při které vzniká energie, navrhl jako první britský fyzik Arthur Eddington v roce 1926. V roce 1934 vytvořil Ernest Rutherford první helium cíleně, když sloučil dvě deuteria (izotopy vodíku). Experimentálně tak potvrdil vznik jaderné fúze.
Jak byste co nejjednodušeji vysvětlil princip jaderné fúze?
Přidej se do Refresher Clubu
Co se dozvíš po odemčení?
Kdy by mohla být na elektrickou síť napojena první elektrárna na principu jaderné fúze.
Kteří miliardáři investují do projektů jaderné fúze.
Jaká nebezpečí mohou plynout z provozu reaktorů.
Který prvek se bude používat v reaktorech pro jadernou fúzi.
Všechno kolem nás je složeno z molekul. Ty se skládají z atomů, jejichž součástí je jádro s pozitivně nabitými protony a neutrálně nabitými neutrony. V obalech atomů jsou pro změnu záporně nabité elektrony. Atomy drží pohromadě právě díky vzájemné přitažlivosti opačně nabitého jádra a obalu. Dosažení energetického výtažku z fúzní reakce je založeno na spojení jader v důsledku překonání této přitažlivosti.
V tom je hlavní rozdíl ve srovnání s jadernými elektrárnami založenými na štěpných reakcích, ve kterých se energie získává pomocí rozpadu jader těžkých prvků, jako například uranu. Při fúzi i štěpení dochází k uvolňování energie.
Jaký je vlastně problém při slučování dvou jader?
Problémem je elektrostatický odpor mezi kladně nabitými jádry. V jádrech ale působí i krátkodosahové přitažlivé jaderné síly, a dostaneme-li tedy jádra pomocí obrovské teploty a vysokého tlaku dostatečně blízko, přitáhnou se. Překonají tzv. coulombovskou bariéru.
Na Slunci je vysoký tlak vytvořený obrovskou masou, a tak není třeba tak vysoké teploty. Setkávám se s podivem nad tím, proč potřebujeme přes 100 milionů ºC, když na Slunci je jich asi 100 tisíc. Řádově vyšší teplotou na Zemi nahrazujeme vysoký tlak vyplývající z obrovských rozměrů Slunce.
Ve fúzních reaktorech se počítá s používáním vodíku jako paliva. Proč?
Fúzi lze teoreticky provádět i s jinými prvky. Avšak spojování dvou jader vodíku do helia je energeticky výhodná reakce. Experimentováním s mnoha prvky vědci zjistili, že nejvyšší energetický výtěžek při nejnižší teplotě vzniká při reakci dvou různých izotopů vodíku, deuteria a tritia.
Izotopy jsou chemické prvky se stejným počtem protonů, ale rozdílným počtem neutronů. Deuterium má jeden proton i neutron a tritium má jeden proton a dva neutrony. Při jejich fúzi vzniká helium se dvěma protony a dvěma neutrony, přičemž jeden volný neutron z reakce doslova vystřelí.
Kam vystřelí tyto volné neutrony?
Neutrony jsou neutrální částice, které nereagují s hmotou tak intenzivně jako například protony. Ve fúzní reakci odnášejí část energie.
Funkční reaktor bude při plném výkonu vytvářet stovky miliard vysokoenergetických neutronů za vteřinu. Ve srovnání s přírodním výskytem se jedná o nepředstavitelný hurikán a okolí a živé bytosti je před ním nutno chránit.
Zamezení úniku neutronů do atmosféry zabezpečují stínící stěny. Tzv. blankety obsahují ve vakuové nádobě berylium, měď a ocel, přičemž jejich vrchní vrstva je pokryta betonem.
Předpokládám, že výhodou vodíku je i jeho dostupnost.
Je tomu tak. Deuterium se nachází ve vodě a dostaneme ho z ní jednoduše destilací. Radioaktivní tritium je však na zemi mnohem vzácnější. V reaktorech se ale bude dát vyrábět, až budou neutrony vodíku narážet do lithiových terčíků. Na zemi je naštěstí i dostatek lithia, které tak lze získat bez velkých nákladů.
Zdroj: Refresher/Eduard Starkbauer
Vy se v práci věnujete právě supravodičům vytvářejícím magnetické pole. Co jsou supravodivé magnety?
Označení magnet může být matoucí. Přesnější výraz je elektromagnet, který funguje tak, že přes cívku proudí elektrický proud. Elektromagnet vytváří magnetické pole, které je na rozdíl od toho z permanentního magnetu, jaký máte na chladničce, úměrné velikosti proudu, který přes cívku pouštíme.
Jakou roli hraje magnetické pole ve fúzních reaktorech?
Vytváří magnetické pole, které dokáže zakřivit dráhu všech nabitých částic v reaktoru. Zvyšováním síly magnetického pole zvyšujete pravděpodobnost reakce i její energetickou výhodnost. Nejde ani o přímou úměru, ale o prudký nárůst. V nejvyspělejším experimentálním tokamaku ITER, který brzy spustí ve Francii, je magnetické pole silné asi 10 tesla. Kdybyste však vytvořili dvakrát silnější magnetické pole, řekněme s hodnotou 20 tesla, dosáhnete až 16krát vyššího výkonu.
Starší tokamaky s klasickými měděnými magnety dokázaly fúzní reakci udržet maximálně pár vteřin, během kterých se magnety i přes neustálé ochlazování zahřejí tak, že musejí fúzi okamžitě vypnout.
Zmínil jste výraz tokamak. Jaké typy fúzních reaktorů dnes známe?
Designy reaktorů musí zajistit, aby se plazma s nabitými částicemi udržela v přesných mezích. Odpovědí je proto tvar kruhu nebo vlny. Vhodným tvarem magnetického pole vytvoříme „magnetický hrnec“, ve kterém částice v plazmě blížící se jeho okraji donutíme, aby se zatočily a vrátily. Dosáhnout toho v praxi je mimořádně náročné.
Vzhledem k konstrukčnímu potenciálu je nejrozšířenější tzv. tokamak ve tvaru prstence. Jinou možnost představuje tzn. steralátor. V něm má plazma tvar zatočené spirály a jedná se o velmi komplikovaný magnetický systém. Tokamak a steralátor jsou dvě hlavní možnosti, jak udržet plazmu aniž by se dotkla povrchu.
Třetí model, který se používá výhradně pro výzkumné účely, pracuje s magnetickými zrcadly, mezi nimiž se plazma odráží.
Drtivá většina fúzních reaktorů na světě jsou tokamaky. Proč existuje tak málo steralátorů?
Podílel jsem se na výpočtech pro německý steralátor v Greisweldu, a tak vím, že magnety potřebné k jejich fungování mají nesmírně komplikovaný tvar. Vyrobit ve vakuu cívku se specificky náročnými spirálovými závity z vodičů, která navíc snese 50 000 ampérů a je chlazena kapalným heliem, je na hranici proveditelnosti. Mnoho vědců vůbec nevěřilo, že steralátor bude možné sestrojit.
Steralátory však mají jednu zásadní výhodu. Reaktory na jejich bázi by mohly fungovat při konstantním výkonu. U tokamaků předpokládáme, že fúzní reakce začne, poběží několik stovek sekund a vzhledem k nutnému ochlazování znovu vyhasne. Tento režim nazýváme pulzní nebo střídavý.
Všechny tokamaky i steralátory se dnes používají k získávání vědeckých poznatků, především o fyzice plazmy. Množství výzkumníků experimentálně posuzuje různé změny v reakcích v závislosti na jejich tvaru.
Na projektu ITER spolupracují země, které stojí politicky na opačných pólech. Jak se podařilo dostat na jednu loď Indii, Rusko, Čínu a USA?Nebylo to vůbec lehké. Jen podepsání kompletní dohody trvalo zemím přes deset let. Množství zúčastněných stran má navíc za následek, že každé rozhodování trvá nesmírně dlouho. V ITERu musí být každá technická změna schválena všemi stranami. Soukromníci mají v tomto směru jednodušší pozici. Dělají si to po svém a investory přesvědčují o návratnosti.
Je ITER jakýsi předstupeň prvního funkčního fúzního reaktoru?Z fyzikálního a energetického úhlu pohledu ano. Vědecká komunita si od něho slibuje velmi mnoho. Jeho projekt je precizně a podrobně vypočítaný a navržený a už se jen musí postavit. Doufejme, že se neobjeví žádná nečekaná komplikace, jejíž riziko nelze ve vědě nikdy zcela vyloučit.
Na Zemi se vědcům podařilo vytvořit teplotu přesahující 100 milionů ºC. Jak je možné, že všechno kolem neroztálo?Tuto teplotu má jen plazma, a to za podmínek, že nepřijde do kontaktu s žádným materiálem. Teplotu tak nedokáže přenést.
Neplyne z extrémní teploty přece jen bezpečnostní riziko?
Jedině pro materiál v bezprostředním okolí. Pokud by během fúze přišla plazma do kontaktu se stěnou, okamžitě by ji roztavila. Z širšího bezpečnostního hlediska to však není tak problematické. Plazma sice roztaví, čeho se dotkne, ale reakce se ihned zastaví a plazma se postupně ochladí.
Zdroj: Refresher/Eduard Starkbauer
S fúzí tedy nejsou spojena rizika, jaká známe z dnešních jaderných elektráren?
Udržet reakci fúze je neskutečně složité, ale bezpečné. Při haváriích štěpných reaktorů probíhá naopak urychlení nekontrolovatelného štěpení, při kterém se vše roztaví. Viděli jsme to v Černobylu i Fukušimě. Při fúzi neexistuje ani riziko spojené s nakládáním s radioaktivním odpadem.
Havárie fúzního reaktoru se teoreticky projeví jen jako vypadnutí zdroje energie. Jinou možností je vznik radioaktivních izotopů z uvolněných neutronů. Mluvíme ale o nesrovnatelně menších hodnotách než u štěpných reakcí.
Co se stane, když ITER potvrdí všechna očekávání? Co bude další etapa?
Už dnes se otevřeně mluví o projektu výstavby prvního reaktoru s pozitivním energetickým výtěžkem pod názvem DEMO. Ten by měl zhruba v roce 2050 pracovat s vyšším magnetickým polem a jeho důležitou součástí bude tzv. divertor sloužící k odebírání tepla z plazmy. Ještě stále jsme jen ve fázi hledání inovací.
Výzkum a vývoj trvá roky, avšak některé základní principy jsou již dohodnuty. Rozměry plazmy jsou stále ve stádiu experimentálních měření a výpočtů. Zásadní a náročná část výzkumu se soustřeďuje také na výběr správných materiálů, například oceli a jejích dodavatelů.
Zdroj: Refresher/Eduard Starkbauer
Jak se energie z fúzního reaktoru dostane do elektrické sítě?Docela jednoduše. Stejně jako v uhelné elektrárně dojde k zahřátí vody a výrobě páry, která roztočí turbíny.
Bude jednou podle vás energie z fúze energií budoucnosti?
ITER má předpoklad, že pokryje vlastní energetickou potřebu. To ovšem nestačí a musíme se naučit vyrobit zásadní nadbytek. Elektrárna, která vyrobí 100 kilowattů energie, je k ničemu. Jen v ITERu má navíc pracovat asi 3 000 zaměstnanců a zdaleka to není levný proces.
ITER bude vysloveně ztrátová záležitost, která ale má především demonstrovat energetický potenciál do budoucna. DEMO by již mělo být energeticky výhodné a mělo by zvládnout dodávat do sítě energii. Od výhodného globálního zdroje energie však máme ještě velmi daleko a komerčních reaktorů se dočkáme, až budou konkurenceschopné z hlediska ceny energie.
Naděje, že fúzní reaktory budou vyrábět energii zdarma, je tedy zveličení?
Ve fúzních reaktorech bude zdarma jen palivo, všechno ostatní stojí peníze. Je to podobné jako u fotovoltaiky. Slunce svítí zdarma, ale technicky musíte vyrobit články, které je třeba udržovat i recyklovat. Problémem může být, že odběratelé nebudou mít o energii z fúze zájem, protože budou mít k dispozici levnější energii z jiného zdroje.
Fúze je rozhodně naděje v souvislosti se snahou o nečerpání fosilních zdrojů. Bude alternativou, když za několik let „doděláme“ zdroje, které se vytvářely miliony let. Konkurenceschopnost energie z jaderné fúze dnes ale nelze odhadnout.
Je tedy zatím scestné snít o energii z jaderné fúze jako o primárním zdroji energie?
Fúzní reaktor může být jeden z mnoha zdrojů v energetickém mixu, které však musíme všechny neustále vylepšovat.
Nemohou tak být, teoreticky, za mnoho desítek let všude jen fúzní reaktory?
Není to vyloučeno. V posledních pěti letech ucítili potenciál fúze i soukromí investoři, a tak může uspět i jedna z více, hlavně amerických soukromých firem. Fúzní reaktory vnímají podnikatelé jako Jeff Bezos či Bill Gates i jako investiční příležitost do budoucna a cíle energetické fúze se snaží dosáhnout za mnohem kratší dobu.
Jejich odborné prezentace zatím vypadají slibně, a tak existuje naděje, že komerčním vývojem objeví jistou formu zkratky. Například Elon Musk je známý tím, že investuje na několika frontách a čeká, co se mu povede. U technologických vynálezů je ale nemožné uhodnout jejich potenciál na začátku cesty. Pro vynálezce je důležité především udělat vynálezu dobrou reklamu a nalákat investory, kteří nemají možnost vidět všechny detaily.
Je tedy obraz fúzní energie jako spasitele civilizace především reklama určená investorům?
I když se o jaderné fúzi často mluví v superlativech, rozhodně nejde o žádnou bublinu. Seriózní soukromí investoři by neinvestovali miliardy jen na základě bombastického PR.
Může se umělá inteligence naučit, jak funguje plazma, a efektivně ovládat magnetické pole v reaktorech?
Umělá inteligence nám jednou jistě pomůže, i když dnes na ni ještě nemůžeme zcela spoléhat. Umělá inteligence se ještě musí naučit obrovskému množství dat o chování plazmy, které ještě nemáme k dispozici. Natrénovat ji můžete, až když se vám podaří plazmu dobře zahřát a udržet, ideálně i milionkrát. Po milionté první by už uměla pomoci.
Umělá inteligence neví nic o fyzice a nezná Newtonovy zákony ani Coulombovu blokádu. Je-li však dobře naučená, dokáže díky svému aparátu postřehnout souvislost tam, kde to my neumíme. Když jednou budou na světě v provozu různé reaktory, umělá inteligence bude rozhodně nápomocná.
Princip jaderného štěpení byl využit v atomových bombách. Má vojenský potenciál i jaderná fúze?
Obě reakce byly, jak to již často bývá, poprvé vyzkoušeny právě ve vojenství: jaderné štěpení v atomové a fúze ve vodíkové bombě. Vodíkovou bombu vyzkoušeli Sověti deset let po atomové, v první polovině 50. let. Nevím, jestli dnes ještě někdo disponuje vodíkovými bombami. Pokud bych to věděl, tak bych si s vámi dnes asi nepopovídal.
