Energia znamená život - toto tvrdenie vonkoncom nie je prehnané. Platí to na úrovni živých organizmov, ktoré energiu premieňajú rôznymi prekvapujúco dômyselnými chemickými reakciami, avšak platí to aj všeobecne, ako základné pravidlo vesmíru - kde niet energie, niet pohybu, ani života. Keďže aj hmota je vlastne len nesmierne koncentrovaná forma energie (spomeňme si na všeobecne známy vzťah z Einsteinovej teórie relativity E=mc²), celý vesmír je v podstate ohromnou nádobou, v ktorej neustále dochádza k premene jednej formy energie na inú - ako hinduistický tanec boha Šivu. Vedci sa snažia z tohto tanca pre ľudstvo čo najviac vyťažiť, ale nie je to ľahké úsilie, ak chceme zároveň zachovať aj prijateľné životné prostredie. V tomto článku sa zameriame na popis vedeckého pozadia a súvislostí stojacimi za jadrovou fúziou ako veľmi perspektívnym, bezpečným a ekologickým veľkokapacitným zdrojom energie nezávislým od vrtochov prírody či počasia, ktorý s minimom odpadu a takmer nevyčerpateľnými zásobami paliva ponúka vyriešenie energetickej a do veľkej miery aj ekologickej krízy ľudstva. V neposlednom rade sa pozrieme aj na projekt, v rámci ktorého sa tejto dobrodružnej cesty môžete zúčastniť aj vy prostredníctvom vášho PC (simuláciami častíc plazmy vo fúznom reaktore).

Pochmúrna budúcnosť

Vesmír, keďže sa rozpína a podľa najnovších výskumov sa toto rozpínanie zrýchľuje, nevyhnutne speje k tzv. tepelnej smrti. Všetky vyššie formy energie sa nakoniec premenia na nižšie formy (vibrácie častíc, čiže tepelnú energiu), a hustota energie vo vesmíre klesne natoľko, že nebude možná žiadna ďalšia premena, a teda ani žiaden život. Energetická degradácia. Energetická a tepelná smrť. Vesmír bude tmavým, pustým a mŕtvym miestom bez akéhokoľvek aktívneho zdroja energie, tanec boha Šivu nadobro ustane. Aj keď sa tomuto osudu vesmír podľa všetkého nevyhne, ako útecha nám môže slúžiť fakt, že tento stav nastane za nesmierne dlhý čas, nie skôr ako za mnoho desiatok, pravdepodobne však až stoviek či tisíciek miliárd rokov. Z hľadiska človeka je to síce pochmúrna budúcnosť, z hľadiska vesmíru je to však len krásna súhra všetkých prírodných zákonov a prirodzené a teda harmonické vyústenie jeho vývoja.

My, čitatelia tohto článku, však patríme medzi tie zvláštne zoskupenia hmoty, ktoré sa nazývajú živé organizmy. Zamerajme sa teda z tohto globálneho pohľadu zahŕňajúceho konečný osud vesmíru ako celku na z nášho pohľadu optimistickejšiu prítomnosť či blízku budúcnosť (čiže v rámci niekoľkých miliárd rokov). Tam existuje energie nadostač, vesmír je stále mladý (má púhych 13,7 miliárd rokov), hýriaci energiou a životom. Napriek tomu ľudstvo sa paradoxne neustále borí s nedostatkom energie. Prečo? Odpoveď je jednoduchá - sme na primitívnom technickom stupni rozvoja. Našťastie máme veľký potenciál zmeniť to - nedávno (po 2. svetovej vojne) sa nám podarilo spútať štiepnu jadrovú energiu, ktorú do ťažkých atómových jadier (urán, plutónium...) kedysi dávno zakonzervovali výbuchy supernov . Tu by bolo vhodné zastaviť sa a povedať si pár slov o tom, ako závisí energia atómového jadra od jeho veľkosti, a ako to súvisí s možnosťou uvoľnenia a využitia tejto energie.

Hrudkovitý vesmír

To, že existujú atómové jadrá, vôbec nie je samozrejmosťou. Vďačíme za to nádhernej zhode všetkých základných fyzikálnych veličín, ktorých vzájomné nastavenie umožňuje práve vytváranie týchto zaujímavých "hrudiek" energie/hmoty. Maličká zmena jedného zo základných parametrov vesmíru, a neboli by atómové jadrá, ani atómy, molekuly, a teda ani my. Z tohto pohľadu je zaujímavý tzv. antropický princíp, ktorý hovorí, že odpoveďou na našu prirodzenú otázku "ako je možné, že práve v našom vesmíre došlo k takej nepravdepodobnej súhre nastavenia parametrov", je to, že keby tie parametre boli iné, človek by v takom vesmíre nikdy nevznikol. Inými slovami vo vesmíre, kde nastavanie parametrov vhodné na vznik inteligentného života nie je, sa takýto život nevyvinie a nikdy sa teda nebude mať v ňom kto pýtať takúto otázku.

Vráťme sa ale k naším atómovým jadrám a energii v nich obsiahnutej. Z hľadiska produkcie energie je pre nás zaujímavé to, že v našom pozoruhodnom vesmíre sú fyzikálne parametre nastavené práve tak, že k uvoľňovaniu energie dochádza pri:

• zlučovaní jadier ľahších (presnejšie s menším počtom protónov a neutrónov) ako železo
• štiepení jadier ťažších ako železo

Železo je teda tým bodom zlomu nielen v histórii ľudstva (netreba určite pripomínať revolučnosť zvládnutia spracovania železa a nástup doby železnej), ale železo je bodom zlomu aj v jadrovej fyzike. Prečo práve železo^[1]? Je to dané tým, že existencia atómového jadra je daná predovšetkým vzájomným pomerom dvoch fyzikálnych síl - silnej jadrovej a elektromagnetickej (a teda dôsledkom už spomínaného nastavenia parametrov nášho vesmíru). Silná jadrová interakcia (sila) je najsilnejšou zo známych štyroch síl, avšak má krátky dosah (len o málo viac ako je priemer protónu), zatiaľ čo elektromagnetická je síce slabšia, ale má podstatne väčší (dokonca nekonečný) dosah. Výsledkom je to, že v malých atómových jadrách, v ktorých sú protóny a neutróny blízko seba, prevláda silná jadrová interakcia. Čím viac protónov však jadro obsahuje, tým väčšia je elektromagnetická sila (ktorou sa pozitívne nabité protóny v jadre odpudzujú), a zároveň slabne aj príspevok k silnej jadrovej interakcii, pretože veľké jadrá majú priemer až približne šesť priemerov protónu, a teda v nich už nie všetky protóny a neutróny na seba touto silou vzájomne pôsobia. Výsledkom je, že pri istej kritickej veľkosti jadra elektromagnetická sila prevládne nad silnou jadrovou, a jadro sa stáva nestabilné. To vysvetľuje, prečo existuje konečný počet jadier a prečo sa pri istej veľkosti začínajú rozpadať (je to z vedeckého hľadiska mierne zjednodušená predstava, ale dostatočne vystihuje realitu a pre naše účely  postačuje). Čo sa týka nášho železa, tak ak zoberieme do úvahy väzbovú energiu jadra (čiže zjednodušene povedané práve ten rozdiel medzi príťažlivou silnou a odpudivou elektromagnetickou silou) prepočítanú na jednu časticu jadra, tak práve železo je jadrom, v ktorom je tento rozdiel najväčší a teda je aj najpevnejšie viazané. Väzba všetkých ťažších jadier sa už začína výraznejšie oslabovať elektromagnetickým odpudzovaním, a preto ak sa snažíte zlúčiť dve jadrá ťažšie ako železo, podarí sa vám to iba ak im dodáte energiu.

^[1] Ak chceme byť vedecky úplne korektní, treba dodať, že existuje jedno ešte pevnejšie viazané jadro, a tým je nikel 62. Avšak z dôvodu, že v centrách hviezd je toto jadro výrazne ničené vplyvom absorpcie častíc, jeho výskyt v prírode je výrazne nižší ako výskyt železa, preto sme si dovolili toto malé zjednodušenie, ktoré nijako neovplyvňuje závery tohto článku.

Obrázok 1: Na tomto obrázku vidíme spomínanú väzbovú energiu jadier prepočítanú na jednu ich časticu. Až po železo táto energia rastie, pre ťažšie jadrá však už klesá, a od toho závisí aj energetická výhodnosť či nevýhodnosť fúzie a štiepenia jadier. Všimnite si  nepravidelné skoky či dokonca niektoré lokálne vrcholy - najnápadnejší je pri Héliu (He⁴). Sú spôsobené tým, že silná interakcia je komplikovaná a neľahko popísateľná sila. Protóny a neutróny v jadrách v dôsledku toho napr. vytvárajú vrstvy (podobne ako elektróny v atómovom obale), a jadrá s vrstvami kompletne naplnenými sú stabilnejšie (fyzici ich nazývajú jadrami magickými). Prečo to tak je, zatiaľ vedci presne nevedia, jednoducho musia to brať ako experimentálny fakt a vlastnosť prírody, ktorá síce určite vyplýva z hlbších zákonitostí (najmä z toho, že protóny a neutróny sa skladajú z kvarkov), ale tým zatiaľ rozumieme len čiastočne, a dokážeme ich na úrovni jadier popísať len empiricky, nie priamo. Hélium je práve jedno z magických jadier, a teda je veľmi stabilné. Ďalším známym magickým jadrom je napr. olovo. Obe nám bijú do očí ako majáky upozorňujúce na naše medzery v poznaní prírody, a teda aj ako výzva pre nasledujúce generácie.
Zdroj: physlink.com

Náš vesmír a existencia a podoba hmoty v ňom sú teda len jednou z nepreberného množstva možností. Buďme radi, že v ňom žijeme. Vďaka jeho parametrom všetky prvky ľahšie než železo vznikli v štandardných hviezdach pri klasickej termonukleárnej fúzii - uvoľňované žiarenie udržiavalo ich stabilitu, pretože nedovolilo hviezde aby pod vplyvom gravitácie skolabovala. Prvky ťažšie ako železo však nemôžu vzniknúť v štandardnej hviezde, pretože, ako sme si už vysvetlili, na ich vznik je potrebné energiu dodať. A to sa stane až keď hviezda vyčerpá svoje palivo pre fúziu, rovnováha sa naruší, prevládne gravitácia, a nastane gravitačný kolaps a následný výbuch hviezdy - tento jav sa volá výbuch supernovy, a predstavuje zánik/smrť aktívnej hviezdy. Nebudeme zachádzať do podrobností, supernov existuje viacero typov, pre nás je však dôležité, že všetky prvky ťažšie ako železo, ktoré na Zemi máme (napr. meď, zlato, striebro, olovo, urán, ale aj pre náš život dôležitý zinok či jód), vznikli pri výbuchu dávnych supernov, ktoré explodovali pred vznikom Slnka. Časť svojej hmoty pritom vyvrhli do priestoru a obohatili tak medzihviezdny plyn a prach o prvky ťažšie ako železo. Z tejto zmesi neskôr vzniklo Slnko a jeho planetárna sústava. V klasických štiepnych jadrových elektrárňach teda len získavame späť túto energiu dávno zaniknutých hviezd.

Obrázok 2: Atómové jadrá existujúce v prírode či v našich laboratóriách sa dajú zobraziť v prehľadnom diagrame, kde spodná os predstavuje počet protónov v jadre, a na zvislej osi je vynesený počet neutrónov. Čiernou farbou sú označené stabilné jadrá, okolo nich sa nachádzajú známe nestabilné jadrá, a zvyšná časť predstavuje nestabilné jadrá, ktoré by mali existovať, ale doposiaľ neboli vytvorené. Nepravidelnosti v diagrame a rozložení jadier (napr. medzera medzi stabilným olovom (Pb) a ľahšími stabilnými prvkami) nám podobne ako na predchádzajúcom obrázku evokujú, že silná interakcia v jadrách sa správa zložitým a ťažko popísateľným spôsobom. Nepoznáme zatiaľ všetky jej tajomstvá. Napr. ešte nedávno si vedci na základe výpočtov mysleli, že existuje tzv. ostrov stability pri jadrách s počtom protónov 114 až 126 (extrémne ťažké jadrá, napr. spomínané olovo má len 82 protónov), pričom predpokladali, že ich polčas rozpadu by mohol byť rádovo až tisícky či milióny rokov a teda že by sme mohli využiť ich pravdepodobne nezvyčajné chemické vlastnosti. Bohužiaľ, medzičasom sa už k tejto oblasti experimenty priblížili, a podľa všetkého ostrov stability je nanajvýš ak "plytčinou" s prvkami s polčasom rozpadu rádovo v sekundách. Nechajme sa však prekvapiť, príroda nám možno v oblasti superťažkých jadier pripraví ešte nečakané prekvapenia, ako sa to vo vede stáva veľmi často.
Zdroj: Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse

V jednote je sila, alias Štiepenie verzus fúzia

Štiepenie uránu, plutónia či tória je menej efektívne ako fúzia ľahkých jadier (konkrétne pri fúzii deutéria s tríciom sa uvoľní cca 150 krát viac energie na jeden nukleón zúčastnený na reakcii ako pri štiepení uránu 235). To nie je jediná nevýhoda. Ako aj logika hovorí, ak zlúčite dve ľahké jadrá (napr. vodíka), dostanete výsledné jadro (v tomto prípade hélium) a energiu. Táto energia vyplýva z Einsteinovho vzťahu E=mc², pretože keď spojíte protóny a neutróny, výsledná hmotnosť hélia bude menšia než súčet hmotností vstupujúcich častíc - ten rozdiel predstavuje jednak väzbovú energiu jadra hélia a zvyšok sa uvoľní do okolia (vo forme energie častíc opúšťajúcich reakciu). Žiaden priamy odpad z tejto jadrovej reakcie. Naopak, pri štiepení ťažkých jadier síce vďaka rozdielu hmotností a väzbových energií vstupov a výstupov z jadrovej reakcie tiež získate energiu, avšak navyše dostanete ako vedľajší produkt trosky tejto reakcie - najrôznejšie (väčšinou rádioaktívne) prvky, z ktorých niektoré majú nepríjemne dlhé polčasy rozpadu. Z toho plynie, že štiepenie je veľmi "špinavý" a pomerne málo efektívny proces. Existujú síce nové koncepcie štiepnych reaktorov (napr. tzv. hybridné reaktory schopné štiepiť ťažké jadrá s omnoho menším množstvom odpadu, a navyše sú ešte schopné aj likvidovať veľkú časť rádioaktívneho odpadu vytváraného dnešnými typmi štiepnych reaktorov), avšak stále je to neporovnateľné s koncepciou fúzneho reaktora. Pre konkrétne porovnanie efektívnosti procesov uvoľňovania energie si uveďme, že priemerná elektráreň s výkonom 1000 MW spotrebuje za rok 2.7 milióna ton uhlia, alebo 1.9 milióna ton ropy, alebo 29 ton oxidu uraničitého (UO₂), alebo - ak ľudstvo zvládne potrebnú technológiu - 100 kg deutéria a 150 kg trícia.

Obrázok 3: Reálne využitie rozdielu medzi energiou štiepnej a fúznej reakcie ľudstvo už absolvovalo - pri explózii vodíkovej (fúznej, termonukleárnej) bomby sa uvoľní mnohonásobne viac energie ako pri štiepnej (uránovej či plutóniovej) zbrani. Na obrázku vidíte bombu Bravo, z operácie Castle, doposiaľ najsilnejšiu americkú termonukleárnu nálož, odpálenú na atole Bikini v roku 1954. Energia uvoľnená pri jej explózii mala ekvivalent 15 miliónov ton TNT - porovnajte s "púhymi" 15 tisíc tonami TNT, ktoré uvoľnila bomba zvrhnutá na Hiroshimu. Tento barbarský čin spôsobil najväčšiu kontamináciu súostrovia počas amerických testov  vrátane kontaminácie pôvodných obyvateľov evakuovaných na priľahlé atoly. Najväčšiu explóziu spôsobenú ľudstvom v jeho histórii však v rámci tradičného megalomanstva má na rováši Sovietsky zväz, ktorý v roku 1961 odpálil tzv. Cár bombu. Tá uvoľnila energiu ekvivalentnú výbuchu neuveriteľných päťdesiatich siedmich miliónov ton TNT, a aj to bola len zmenšená verzia pôvodného dizajnu (ktorý by dosiahol výbušnú silu až 100 miliónov ton TNT) -  ten vedci zavrhli, pretože by spôsobil príliš veľké rádioaktívne zamorenie.
Zdroj: en.wikipedia.org

Ani fúzny reaktor nie je úplne čistý

Častokrát sa môžete stretnúť so zjednodušeným názorom, že fúzny reaktor nebude produkovať vôbec žiaden rádioaktívny odpad. Nie je to pravda. Aj keď z hľadiska jadrovej fyziky je reakcia zlučovania vodíka na hélium naozaj bez akéhokoľvek rádioaktívneho odpadu, samotný reaktor rádioaktívny odpad produkovať nepriamo bude. Je to dané tým, že v uväznenej plazme, v ktorej prebieha fúzia, existuje ohromné množstvo neutrónov, a teda steny reaktora sú vystavené enormnému toku týchto častíc (odtieniť ich nie je ľahké, pretože nemajú žiaden elektrický náboj a teda nemôžeme magnetickým poľom meniť ich dráhu, a navyše ich ani odtieniť nechceme, pretože práve neutróny sú pre nás zdrojom energie z reaktora). Vplyvom týchto neutrónov sa postupom času materiál steny reaktora opotrebuje, stane sa rádioaktívnym a je ho nutné v pravidelných intervaloch meniť, pretože v ňom dôjde k transmutácii prvkov. Väčšinu odpadu, ktorý reaktor bude produkovať, bude predstavovať samotná opotrebovaná stena reaktora (obsahujúca kobalt 60). Ďalším zdrojom rádioaktívneho odpadu bude superťažký vodík (trícium). Ten je totiž súčasťou reakcie zlučovania vodíka. Pre osvieženie vedomostí zo strednej školy si pripomeňme, že jadro obyčajného vodíka je tvorené len jediným protónom, jadro ťažkého vodíka (tzv. deutéria) je tvorené jedným protónom a jedným neutrónom. Tretí izotop vodíka - tzv. superťažký vodík - obsahuje okrem protónu aj dva neutróny. Je dôležité poznamenať, že deutérium na rozdiel od trícia nie je rádioaktívne a je prirodzenou súčasťou vody na Zemi, kde sa ho nachádza nesmierne množstvo - deutérium nájdeme v 0.3 promile molekúl vody v oceánoch a bude hlavným zdrojom pre palivo do reaktora. Z dôvodu čo najmenších nárokov na energiu/teplotu a hustotu plazmy a teda aj technologickú náročnosť stavby sa vo fúznom reaktore uskutočňuje zlučovanie deutéria s tríciom (a nie deutéria s deutérium či vodíkom). Preto je trícium potrebné ako palivo - vyrábať sa bude z lítia (ktorého je v prírode dostatok). Trícium je plyn, ktorý - keďže je to vodík, najľahší prvok - je pomerne náročné skladovať, a vždy dochádza k jeho malým únikom. A práve to je ďalším zdrojom rádioaktívneho odpadu - malé množstvo trícia uniknutého pri jeho skladovaní či manipulácii alebo transporte.

Jedným dychom však treba pripomenúť, že množstvo odpadu z fúzneho reaktora je omnoho menšie, tento odpad je výrazne menej biologicky nebezpečný, má omnoho kratší polčas rozpadu a je teda neporovnateľne ľahšie skladovateľný než odpad zo štiepnych reaktorov. Pre ilustráciu, spomínaný kobalt 60 má polčas rozpadu len 5.27 roka. To je extrémny rozdiel oproti dlhožijúcim izotopom, ktoré tvoria odpad zo štiepneho reaktora. Dôsledok je ten, že takýto odpad je potrebné skladovať namiesto tisícov rokov len približne 50 rokov. Po 300 rokoch bude takmer neškodný a rovnako rádioaktívny ako je popolček z uhoľných elektrární. Navyše, nové materiály, z ktorých sa môže budovať reaktor, ešte znížia už aj tak priaznivý stav - reaktor vybudovaný napr. z uhlíkových vlákien či vanádia sa bude aktivovať omnoho menej ako reaktor z nehrdzavejúcej ocele a teda aj tento nepriamy odpad sa bude dať eliminovať - nové materiály pre reaktor sa skúmajú už dnes pod patronátom Medzinárodnej agentúry pre energiu (IEA) v špecializovanom komplexe pre ožarovanie fúznych materiálov IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility).

Suma sumárum, netreba podliehať naivnej prestave, že fúzny reaktor je bez odpadu, avšak z ekologického aj ekonomického hľadiska je tento odpad (na rozdiel od odpadu zo štiepnych reaktorov) bez problémov zvládateľným problémom a novými materiálmi sa situácia ešte zlepší.      

Ďalšou podstatnou vlastnosťou fúzneho reaktora je jeho bezpečnosť - fúzna reakcia môže prebiehať len pri splnení náročných fyzikálnych podmienok (teplota, hustota, magnetické pole) a akýkoľvek výpadok, porucha, či zlyhanie časti systému bude mať za následok narušenie týchto parametrov a teda prakticky okamžité ukončenie fúznej reakcie, keďže tá nebude môcť z fyzikálnych dôvodov prebiehať. Navyše, v ktoromkoľvek okamihu sa v reaktore nachádza len minimálne množstvo (a ešte k tomu krátkožijúceho) rádioaktívneho odpadu - v celej komore reaktora sa nachádza len niekoľko gramov plazmy, plus okolo reaktora sa nachádza asi 1 kilogram trícia, čo predstavuje tak malé množstvo, že ešte pred opustením bezpečnostného areálu elektrárne by sa rozriedilo na zdravotne nezávadné limity. Z týchto dôvodov teda ani (extrémne nepravdepodobné) kompletné zničenie reaktora by neznamenalo katastrofu s veľkým rozsahom, ale iba lokálnu dočasnú kontamináciu reaktora a elektrárne. Trícium navyše má veľmi nízku energiu radiácie (čiže spôsobuje len malé poškodenie tkaniva), krátky polčas rozpadu (cca 13 rokov) a aj keď ľahko vstupuje do organizmu (ako súčasť vody), neviaže sa v ňom (keďže voda sa z organizmu rýchlo vylučuje, celý cyklus trvá približne týždeň), a je teda biologicky málo nebezpečné pri jednorazovom vystavení.

 

Obrázok 4: Zlučovaním deutéria s tríciom vzniká jadro hélia a neutrón, ktorý odnáša prevažnú časť uvoľnenej energie. Podobná reakcia (zlučovanie obyčajného vodíka) prebieha v centrách hviezd, a presne tá istá reakcia (zlučovanie ťažkého a superťažkého vodíka) prebieha v centrách tzv. hnedých trpaslíkov, čo sú telesá na hranici medzi hviezdami a plynnými planétami Jupiterovho typu, ktorých hmotnosť je nedostatočná na zapálenie fúzie obyčajného vodíka a teda v určitej fáze svojho života spaľujú ľahšie zlučovateľné palivo.
Zdroj: iter.rma.ac.be

Prečo ešte fúzny reaktor ľudstvo nepoužíva?

Možno sa teraz pýtate, prečo teda ľudstvo ešte takúto výnimočnú možnosť produkcie energie nevyužíva. Paliva máme takmer nevyčerpateľný zdroj v mori, odpad priamo z fúznej reakcie nie je žiaden, celkový odpad je nebezpečný len veľmi krátku dobu a je ľahko skladovateľný, proces je bezpečný... kedy teda budeme mať funkčný reaktor?

Odpoveď je jednoduchá - aj keď fyzika procesu je známa, problém spočíva v technologických limitoch. Musíme si uvedomiť, že prevádzkovať fúzny reaktor znamená reprodukovať proces prebiehajúci v centre hviezd pri teplote desiatok miliónov Kelvinov (či stupňov Celzia). Táto teplota je nutná na prekonanie odpudzovania jadier vodíka spôsobeného ich elektrickým nábojom. Ako sme si spomenuli, elektromagnetická interakcia je dlhodosahová, zatiaľ čo silná jadrová ma len krátky dosah - kým teda priblížime jadrá dostatočne blízko seba tak, aby sa začali priťahovať jadrovou silou, musíme najskôr prekonať toto ďalekodosahové elektromagnetické odpudzovanie. A to nie je malé. Najľahšie sa prekonáva práve pri kombinácii paliva deutérium-trícium, ktorá je z energetického hľadiska najefektívnejšia - pre konkrétnejšiu predstavu, po prekonaní bariéry sa uvoľní približne dvetisíckrát viac energie ako bolo potrebné na jej prekonanie.

 

Obrázok 5: Porovnanie fúzie rôznych druhov (izotopov) vodíka. Vidíme, že fúzia deutéria (D) s tríciom prebieha už pri nižších teplotách než fúzia deutéria s deutériom, a takisto pri danej teplote prebieha intenzívnejšie. Z obrázku zároveň vyplýva aj zaujímavý fakt - všimnite si, že najoptimálnejšia teplota pre reakcie (dokonca aj pre spomínanú reakciu D-T) je niekoľko stoviek miliónov Kelvinov (či stupňov Celzia), čo je mnohonásobne viac ako teplota v centre Slnka (kde panuje príjemných zhruba 15 miliónov Kelvinov). Dôvodom, prečo napriek tomu Slnko svieti, je predovšetkým kvantovomechanický tzv. tunelový jav, keď reakcia s istou pravdepodobnosťou prebehne, aj keď energia častíc nepostačuje na prekonanie energetickej bariéry. Náš najväčší fúzny reaktor na oblohe teda funguje aj vďaka týmto exotickým procesom, ktoré nemajú obdobu v našom bežnom svete.
Zdroj: en.wikipedia.org 

Asi nikomu netreba zvlášť vysvetľovať technickú výzvu, ktorú to predstavuje - veď ak má niekto stáť pár metrov od nádoby, v ktorej prebieha proces totožný s tým v centre Slnka (od ktorého sme izolovaní 150 miliónmi kilometrov, hmotou stoviek tisíc hmotností Zeme, a ešte aj ochranným krytom našej atmosféry), a pritom zostať nažive - to si vskutku vyžaduje extrémnu vyspelosť a zručnosť v ovládaní prírody a javov v nej sa vyskytujúcich.

Je preto nesmierne vzrušujúce, že žijeme v dobe, keď sa tento sen začína stávať skutočnosťou. Funkčný fúzny reaktor, ktorý dosiahol podmienku produkcie väčšej energie ako bola doň na vytvorenie dostatočnej teploty a uväznenie plazmy vložená, totiž už existuje. Podarilo sa to vedcom v krajine vychádzajúceho Slnka, a konkrétnym svetovým rekordérom v tomto smere je reaktor JT60 skonštruovaný v Japan Atomic Energy Agency. Bohužiaľ, jeho výkon je zatiaľ nedostatočný na komerčné využitie, a skonštruovanie väčšieho reaktora nie je vôbec také jednoduché ako by sa mohlo zdať. So vzrastajúcim rozmerom (resp. objemom plazmy) prudko narastajú technologické komplikácie so stabilitou plazmy, inými slovami je oveľa náročnejšie udržať plazmu vo veľkom objeme (ktorý by poskytoval ekonomicky využiteľný výkon). A v tom spočíva hlavná úloha, ktorá stojí pred súčasným výskumom a vývojom. Ďalšou výzvou je odolnosť materiálov voči silnému toku neutrónov z reaktora - napr. aj supravodivé magnety udržiavajúce plazmu budú týmito neutrónmi poškodzované. Tieto a podobné problémy je potrebné vyriešiť, aby bolo možné reaktor komerčne využívať. O tom, ako sa chce ľudstvo s týmito problémami vysporiadať, si povieme na druhej strane tohto článku.

 

Obrázok 6: Fotografia vnútra japonského reaktora JT 60  (Japan Torus 60). Toto zariadenie drží rekord vo viacerých aspektoch, napr. v roku 2006 sa v ňom podarilo udržať fúznu reakciu až 28.6 sekundy, ale predovšetkým sa mu ako prvému na svete podarilo splniť podmienky na vygenerovanie väčšej energie ako bola doň na spustenie a udržanie reakcie dodaná. Reaktor je dizajnovaný na zlučovanie deutéria s deutériom, je prevádzkovaný od roku 1985 a neustále zdokonaľovaný.
Zdroj: Japan Atomic Energy Agency.

Plazma v pasci - ITER

Silné magnetické pole, ktoré uzatvára plazmu v reaktore, nie je symetrické, ale má zložitý prstencový tvar (tzv. toroidný tvar). Tento dizajn použitý aj pri JT60 sa nazýva tokamak (z ruského slovného spojenia "тороидальная камера с магнитными катушками", toroidná komora s magnetickými cievkami), ktorý bol navrhnutý a vyvinutý v Sovietskom zväze v 50-tych rokoch. Pohyb častíc plazmy v ňom je značne zložitý. Je veľmi dôležité vytvoriť také magnetické pole vhodného tvaru a intenzity, ktoré zabezpečí pri potrebnej hustote stabilnú plazmu, z ktorej neunikajú prakticky žiadne nabité častice (viete si asi predstaviť, čo by častice plazmy s obrovskou teplotou asi urobili so stenami reaktora). V súčasnosti medzinárodné spoločenstvo vyspelých krajín (EU, Japonsko, Rusko, USA, Južná Kórea, India a Čína) buduje za približne 10 miliárd EUR najväčší a najsľubnejší fúzny reaktor v rámci projektu ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) v Cadarache vo Francúzsku. Výstavba by mala byť dokončená v roku 2018 a ďalšie dve dekády bude prevádzkovaný, kým sa očakáva zdokonalenie technológie umožňujúce komerčné využitie. Výkon budovaného reaktora má byť cca 500 MW, ktorý bude cca 4 až 5 krát vyšší ako energia vložená do reaktora na zahriatie a udržanie plazmy, a bude generovaný v doposiaľ najväčšej skonštruovanej plazmatickej komore o objeme 840 m³ počas reakcií trvajúcich približne 1000 sekúnd.  

Hlavným zdrojom energie z reaktora sú vysokoenergetické neutróny, ktoré sú mimo nádoby s plazmou (z ktorej ľahko unikajú, keďže sú neutrálne) spomaľované, a ich energia je transformovaná na tepelnú energiu primárneho chladiva. ITER túto energiu nebude ďalej premieňať na energiu elektrickú, keďže to už je dobre známy a technicky veľmi dobre preverený proces.

Nádoba/telo reaktora bude vyrobená (kým sa odskúšajú vhodnejšie materiály v spomínanom IFMIF) z nehrdzavejúcej ocele obohatenej o uhlík, bude mať výšku 11.3 m, vonkajší priemer 19.4 m, a bude vážiť spolu s kompletným vybavením naozaj úctyhodných päťtisícstošestnásť ton. Supravodivé magnety vytvárajúce extrémne silné magnetické pole (až 13.5 Tesla) budú vyrobené zo zliatiny nióbu a cínu. Jednoducho - bude to zariadenie na hranici ľudských možností, na hranici nášho ovládania prírody, a - ak bude úspešné - znamenajúce prelom do novej éry.

Obrázok 7a: Fúzny reaktor ITER. Pre porovnanie veľkosti si všimnite postavu človeka v spodnej časti obrázku.
Zdroj: ITER

Obrázok 7b: Výroba nádoby reaktora. Uväzniť a kontrolovať proces prebiehajúci v Slnku nebude žiadna maličkosť.
Zdroj: ITER

 

 

 

Obrázok 7c: Letecký pohľad na miesto, kde bude stáť ITER. Ťažká technika sa už zahryzla do prípravy terénu.
Zdroj: ITER.

Pre komplexnú informáciu je potrebné ešte uviesť, že okrem tokamaku existujú aj iné koncepty či dizajny, tie sú však menej preskúmané a v menej rozvinutom technologickom štádiu. Na druhej strane časť vedcov sa prikláňa k názoru, že by mohli viesť k rýchlejším a reálnejším výsledkom (spomeňme napr. projekt HiPER využívajúci na vzplanutie a fúziu plazmy laserovú technológiu, alebo Wendelstein 7-X využívajúci koncept tzv. stellaratoru, kde je plazma udržiavaná len elektrickým prúdom prebiehajúcim mimo plazmy). V každom prípade to však znamená, že aj keď je ITER (tokamak) najsľubnejším konceptom, v prípade jeho zlyhania (nebolo by to zďaleka prvý ani posledný krát v histórii vedy a techniky) má ľudstvo ešte ďalšie želiezka v ohni, ktoré nám pomôžu spútať zdroj energie Slnka.

 

Obrázok 8: Wendelstein 7-X ako jeden z najperspektívnejších alternatívnych projektov jadrovej fúzie sa rozhodne na nedostatok futurickosti vo svojom dizajne sťažovať nemôže. Dokončený by mal byť v roku 2014, teda ešte skôr ako ITER.  Jeho netradičný, akoby pokrivený dizajn vyplýva z faktu, že nezohrieva a neudržuje plazmu elektrickým prúdom prechádzajúcim cez samotnú plazmu (ak je to v prípade tokamaku), ale prúdom v okolí plazmy. Tento koncept sa nazýva stellarator, a napriek niektorým výhodám oproti tokamakom (napr. stabilnejšia plazma) trpí inými neduhmi, ktoré ho zatiaľ pre väčšinu vedcov odsúvajú na druhú koľaj v oblasti výskumu fúzie (práve jeho tvar spôsobuje komplikácie napr. s výrobou magnetov, s využitím magnetického poľa na viazanie plazmy ale aj s extrakciou energie z fúznej reakcie).
Zdroj: Institute of Physics.

Plazma v počítači

A práve na zistenie komplikovaných trajektórií (dráh) častíc plazmy slúži kód ISDEP, ktorú vyvinuli vedci z Institute for Biocomputation and Physics of Complex Systems Univerzity v Zaragoze, National Fusion Laboratory (Národné laboratórium pre fúziu) ako súčasti CIEMAT (Výskumného centra pre energiu, prostredie a technológie) a Complutense University v Madride. Jedná sa o viacčlenné tímy pracovísk na svetovej úrovni participujúcich na špičkových fúznych projektoch ako TJ-II, European JET Tokamak, a v súčasnosti na ITERi. Španielsko má vo výskume fúzie solídnu pozíciu, čo v roku 2002 viedlo napr. aj k ponuke lokality na budovanie samotného ITERu, aj keď Európska únia nakoniec z dôvodu netrieštenia síl v konkurencii s Japonskom uprednostnila lokalitu vo Francúzsku (súboj o umiestnenie ITERu medzi Japonskom a EU bol značne napätý).

Kód ISDEP (Integrator of Stochastic Differencial Equations for Plasma) teda uskutočňuje simulácie pohybu častíc v plazme reaktora. Je to výpočtovo veľmi náročná úloha, pretože je potrebné riešiť veľmi zložité sady 5 rozmerných diferenciálnych rovníc, konkrétne tzv. Fokker-Planckovu rovnicu, ktorej logická krása z pohľadu vedca konkuruje kráse einsteinových rovníc teórie relativity (a má spojitosť aj so známou Schrödingerovou rovnicou v kvantovej mechanike). V prípade horúcej plazmy sa rovnice ukazujú v plnej svojej sile a akoby s potešením na vedcov hádžu bremeno ich riešenia, ktoré sa prejavuje v enormných nárokoch na výpočtový výkon. Nie nedokonalosťou algoritmu, ale náročnosťou prírodného javu prebiehajúceho v plazme, ktorého popis vyžaduje využiť bez zjednodušení plný potenciál ľudskej mysle a jej mocného nástroja - matematiky.  Vývoj ISDEPu je súčasťou dlhodobého úsilia o čo najrealistickejší popis pohybu a správania sa plazmy vo fúznom reaktore, pričom už aj v rámci projektu Ibercivis priniesol niektoré zaujímavé výsledky. Jeho výhodou oproti iným prístupom je práve absencia priblížení a teda realistickejší popis situácie v reaktore, a rovnako aj skutočnosť, že kód je možné aplikovať nielen na koncept tokamaku, ale aj stellaratoru. Kód je výnimočný ešte v jednom dôležitom ohľade - umožňuje totiž ktorémukoľvek človeku na svete zapojiť sa do tohto výskumu. 

Fúzny reaktor u vás v obývačke

Kód bol totiž dizajnovaný a vyvinutý pre distribuované výpočty (umožňuje paralelné počítanie dráh jednotlivých častíc v plazme) a je použitý momentálne v dvoch projektoch v rámci tzv. platformy BOINC - Ibercivis (od apríla 2007) a EDGeS (od konca roku 2009). Ak ste o BOINC ešte nepočuli, odporúčame krátku flashovú prezentáciu a takisto stránky BOINC v slovenskom, anglickom alebo českom jazyku. V stručnosti len uveďme, že BOINC je platforma umožňujúca zapojenie sa bežných ľudí do špičkového vedeckého výskumu častokrát na hraniciach ľudského poznania, a to prostredníctvom svojich počítačov, ktoré spracovávajú centrálnym serverom.distribuované dáta. Výsledky z jednotlivých obyčajných PC sú následne zhromažďované a analyzované vedcami, pričom BOINC ako celok takto ponúka ohromný výpočtový výkon - už viac ako 4 tisíc TeraFLOPs, čím prekonáva aj najvýkonnejší superpočítač súčasnosti (Jaguar Cray XT-5, ktorý ponúka "iba" 1760 TeraFLOPs). Fúzia je len jedným zo vzrušujúcich projektov, do ktorých sa môžete zapojiť, existujú ďalšie projekty v mnohých iných oblastiach (spomeňme len hľadanie gravitačných vĺn predpovedaných Albertom Einsteinom, modelovanie našej Galaxie či hľadanie liekov proti rakovine a iným chorobám).

Spomínaný Ibercivis je španielskym projektom, pod ktorým okrem fúzie bežia viaceré ďalšie aplikácie, a z administratívneho hľadiska ho zastrešuje španielske Ministerstvo vedy a inovácií prostredníctvom Rady pre vedecký výskum (CSIC). Podobne aj EDGeS slúži ako projekt hosťujúci viacero vedecko-výskumných aplikácii (tzv. wrapper), jednou z nich je práve Fusion ITER založená na spomínanom kóde ISDEP. Dôvodom skutočnosti, že kód využívajú aplikácie dvoch projektov, je ich nedávno (koniec roku 2009) ohlásená vzájomná spolupráca. EDGeS je zatiaľ (február 2010) v beta fáze a ponúka testovacie pracovné jednotky, zatiaľ čo Ibercivis je v plnej prevádzke a spracovávajú sa v ňom reálne dáta. Keďže však na rozdiel od väčšiny iných fyzikálnych projektov nespracováva experimentálne dáta, neponúka pracovné jednotky pre fúziu nepretržite. Je teda vhodné nezúčastňovať sa len tohto jedného projektu, ale aj niektorých ďalších z pestrej ponuky, ktorú ponúka BOINC (či už astronomických, fyzikálnych, alebo biologických/medicínskych projektov), aby v prípade momentálneho nedostatku práce pre fúziu váš počítač nezaháľal. Plány ďalšej spolupráce medzi Ibercivis a EDGeS a kroky z nej vyplývajúce budú ohlásené v blízkej budúcnosti.

Vývoj ITER aplikácie a spracovanie jej výsledkov je, ako sme si uviedli, uskutočňovaný na vedecko-výskumných a univerzitných pracoviskách, ktoré sú financované z verejných zdrojov, nie sú súkromné, a teda výsledky výskumu musia pravidelne prezentovať a musia byť prístupné širokej vedeckej verejnosti nie za účelom komerčného zisku či profitu. To je zárukou, že výsledky, ktoré prostredníctvom našich PC odovzdáme, sa využijú na verejné nekomerčné účely, v súlade s tým, že aj ITER samotný je medzinárodný vedecko-výskumný projekt s verejným financovaním a nekomerčným využitím v prospech ľudstva. Spustenie fúznej aplikácie v projekte Ibercivis bolo vo februári 2009 oznámené aj na oficiálnej stránke projektu ITER.

Systémové požiadavky aplikácie (operačný systém, nároky na RAM apod.) nájdete na tejto a tejto stránke (upozorňujeme predovšetkým na nároky na RAM, v súčasnosti jedna pracovná jednotka potrebuje cca 400 MB, čiže napr. na štvorjadrovom procesore bude potrebných 1.6 GB RAM).

Obrázok 9a: Dráha častice plazmy uväznenej v magnetickom poli, vypočítaná pomocou kódu ISDEP.
Kredit: ibercivis.es

Obrázok 9b: Simulovaná plazma v nádobe reaktora.
Kredit: ibercivis.es

 

 

 

Obrázok 9c: Dráha častíc plazmy v modeli fúzneho reaktora.
Kredit: ibercivis.es

Doba fúzna

Komerčne využiteľné mierové ovládnutie fúzie človekom by malo nesmierne dôsledky pre ľudstvo a jeho budúcnosť. Ako je asi už z doteraz uvedených informácií zrejmé, nejedná sa totiž len o vylepšenie súčasných možností, ale o úplne nový koncept produkcie energie. Ponúka takmer nelimitované množstvo veľmi ľahko dostupného paliva - na základe serióznych výpočtov by pri dnešnej nezmenenej produkcii energie ľudstvom známe zásoby lítia na Zemi (vrátane oceánov) vystačili pre fúziu 60 miliónov rokov, a deutérium dokonca až na 150 miliárd rokov (to je desaťkrát viac ako je vek vesmíru). Aký je to kontrast hoci aj so štiepnymi reaktormi, kde nám známe zásoby uránu vystačia niekoľko desaťročí, maximálne storočí pri starších typoch reaktorov, a zhruba tritisíc rokov pri použití tzv. množivých reaktorov (ktoré sú už úspešne v prevádzke a budujú sa ďalšie). Množstvo paliva pre fúziu teda spolu s minimom rádioaktívneho odpadu s veľmi priaznivou dobou rozpadu a ľahkou skladovateľnosťou, žiadnou produkciou CO₂ ani iných skleníkových plynov, bezpečnosťou reaktora z dôvodu fyzikálnej nemožnosti závažnej havárie, predstavuje cestu vyriešenia energetickej krízy ľudstva. Nenadarmo slovo ITER znamená v latinčine - cesta. A to sme ešte nespomenuli zásoby deutéria na Jupiteri a plynných planétach, kde by ich ľudstvo malo byť schopné v budúcnosti čerpať - z dlhodobého hľadiska je teda fúzia nielen zdrojom energie hviezd, ale aj civilizácie schopnej rozšíriť sa po Galaxii (existujú samozrejme aj koncepty fúzneho pohonu).

Ale vráťme sa bližšie na Zem a späť do súčasnosti - energia je teda kľúčom k pokroku ľudstva. Dostatok energie otvára dvere novým výdobytkom techniky a možnostiam, ktoré by boli bez nej nemysliteľné. Ako príklad uveďme rodiacu sa technológiu ekologických palivových článkov (fuel cells), ktoré využívajú ako palivo vodík a dajú sa použiť napr. na pohon automobilov. Veľa ľudí si neuvedomuje, že táto technológia sama o sebe nepredstavuje žiadnu ekologickú alternatívu k spaľovacím motorom, a to aj napriek tomu, že spaľovanie vodíka neprodukuje žiadne skleníkové plyny ani exhaláty. Vodík do týchto motorov je totiž potrebné najskôr vyrobiť - a na to je potrebné veľké množstvo energie. Keby sa teda v súčasnosti masovo rozšírili palivové články, znamenalo by to len presunutie ekologickej záťaže z miest spotreby (čiže miest s intenzívnou dopravou) na miesta produkcie (čiže elektrárne produkujúce energiu na získanie vodíka). To nerieši ekologickú rovnováhu Zeme. Práve energia z jadrovej fúzie ako zdroja plne ovládateľného človekom (v zmysle nezávislosti od poveternostných podmienok, oblačnosti apod.) by v súčinnosti napr. so spomínanou technológiou palivových článkov a samozrejme aj s obnoviteľnými zdrojmi energie (vodná, solárna, veterná...) predstavovala efektívny a ekologický systém, kde by bol dostatok energie ekologicky a dostatočne flexibilne produkovaný, a ekologicky distribuovaný na miesta lokálnej spotreby (keďže napr. motory áut samozrejme nemôžu byť malými fúznymi reaktormi).

Zvládnuť ekologické technológie distribúcie energie je však podstatne menej náročné, ako práve samotnú produkciu. Preto je veľmi potešujúce, že existuje snaha ľudstva v podobe projektu ITER, a z hľadiska nás bežných ľudí to, že sa na tomto vzrušujúcom dobrodružstve historického významu môžeme prostredníctvom platformy BOINC zúčastniť a pomôcť tak posunúť ľudstvo do novej éry, ktorá by sa dala smelo nazvať dobou fúznou. 

Autor: Juraj Kotulič Bunta, Ph.D.

Jadrový fyzik, v rokoch 2004-2006 pracoval v JAEA (Japan Atomic Energy Agency, Tokaimura).

Ak vás téma zaujala, ako stručný výber odkazov z článku odporúčam nasledovné študijné materiály či stránky na podrobnejšie či doplňujúce informácie:

1. Energetická budúcnosť ľudstva verzus fúzia (vedecký článok vrátane hodnotných odkazov v ňom, anglicky)
2. ITER homepage (ITER v 5 minútach)
3. Produkcia energie z fúzie
4. Fyzika jadrovej fúzie
5. ISDEP simulácia plazmy
6. Ako sa zapojiť: BOINC krátka flash prezentácia, BOINC prehľadné stránky slovensky, česky, a anglicky. V prípade nejasností či otázok je k dispozícii aktívne fórum.