Jaderná fúze

Rozbalit box

Obsah boxu

Jaderná fúze, známá také jako termonukleární fúze, je typ jaderné reakce, při které dochází ke slučování lehkých atomových jader (například izotopů vodíku) za vzniku jader těžších prvků (například helia). Tento proces je doprovázen uvolněním obrovského množství energie v souladu s Einsteinovým vztahem E = mc². Jedná se o stejný princip, který pohání hvězdy, včetně našeho Slunce.

Na Zemi je výzkum zaměřen na využití řízené jaderné fúze jako potenciálně čistého, bezpečného a téměř nevyčerpatelného zdroje energie pro budoucnost. Na rozdíl od jaderného štěpení, které se využívá v současných jaderných elektrárnách a štěpí těžká jádra, fúze jádra slučuje a neprodukuje dlouhodobý vysoce radioaktivní odpad. Dosažení a udržení podmínek pro fúzi – extrémně vysoké teploty a tlaku – je však jednou z největších vědeckých a technických výzev současnosti.

⏳ Historie a klíčové milníky

Výzkum jaderné fúze započal ve 30. letech 20. století, kdy Ernest Rutherford v roce 1934 poprvé uměle uskutečnil fúzní reakci pomocí urychlovače částic. Skutečný potenciál fúze se však projevil až po druhé světové válce s testem první termonukleární bomby "Ivy Mike" v roce 1952.

50. léta 20. století: V Sovětském svazu byl vymyšlen koncept tokamaku, zařízení pro magnetické udržení plazmatu. V USA byl paralelně vyvíjen stellarator. V roce 1955 formuloval John D. Lawson tzv. Lawsonovo kritérium, které definuje podmínky nutné pro dosažení energetického zisku z fúze.
1968: Sovětští vědci na tokamaku T-3 dosáhli průlomových výsledků v udržení plazmatu, což vedlo k celosvětovému přijetí tokamaku jako hlavního směru výzkumu.
1984–2024: V britském Culhamu byl provozován největší experimentální tokamak své doby, Joint European Torus (JET). V roce 1997 zde bylo dosaženo fúzního výkonu 16 MW a v roce 2023 uvolněno rekordních 69 megajoulů energie během jednoho pulzu.
1985: Na ženevském summitu navrhl Michail Gorbačov Ronaldu Reaganovi mezinárodní spolupráci na projektu fúzního reaktoru, což položilo základy pro projekt ITER.
2007: Oficiálně vznikla mezinárodní organizace ITER a začala výstavba ve francouzském Cadarache.
2022: Vědci v National Ignition Facility (NIF) v USA poprvé v historii dosáhli čistého energetického zisku pomocí inerciální fúze, kdy reakce vyprodukovala více energie, než kolik jí bylo dodáno lasery do palivového terčíku. Tento úspěch byl následně několikrát zopakován s ještě vyšším energetickým ziskem v letech 2023 a 2024.
2025 a dále: Očekává se pokračující výstavba a postupné spouštění mezinárodního reaktoru ITER, i když původní termíny byly posunuty. Současně sílí soukromé investice a národní programy (např. v Německu) s cílem urychlit výstavbu první komerční fúzní elektrárny.

⚛️ Fyzikální principy

Jaderná fúze je založena na překonání přirozeného odporu mezi kladně nabitými atomovými jádry. Aby se jádra mohla sloučit, musí se přiblížit na extrémně malou vzdálenost, kde začne působit silná jaderná interakce, která je mnohem silnější než odpudivá elektrická síla.

K dosažení těchto podmínek je nutné hmotu zahřát na teplotu přesahující 100 milionů °C. Při takových teplotách se hmota nachází ve stavu zvaném plazma, kde jsou elektrony odděleny od atomových jader.

Nejefektivnější fúzní reakcí pro energetické účely je slučování izotopů vodíku – deuteria (D) a tritia (T):

D + T → ⁴He + n

Při této reakci vzniká jádro helia (částice alfa) a jeden volný neutron. Součet hmotností produktů (helia a neutronu) je o něco menší než součet hmotností původních jader deuteria a tritia. Tento "hmotnostní schodek" se přemění na energii podle Einsteinovy rovnice E = mc².

Lawsonovo kritérium

Pro dosažení energeticky ziskové fúze musí plazma splňovat tzv. Lawsonovo kritérium. To říká, že součin hustoty plazmatu (n), doby udržení energie (τE) a teploty plazmatu (T) musí přesáhnout určitou hodnotu. V podstatě to znamená, že plazma musí být dostatečně horké, husté a musí být udrženo pohromadě dostatečně dlouho, aby fúzní reakce stihly vyprodukovat více energie, než kolik je spotřebováno na jeho ohřev a udržení.

⚙️ Technologie a přístupy

Existují dva hlavní přístupy k dosažení řízené jaderné fúze:

🧲 Magnetické udržení

Tento přístup využívá silná magnetická pole k udržení horkého plazmatu v komoře reaktoru, aby se nedotýkalo jejích stěn a neochladilo se. Dva nejrozšířenější typy zařízení jsou:

Tokamak: Zařízení ve tvaru donutu (toroidu), které využívá kombinaci vnějších magnetických cívek a elektrického proudu protékajícího plazmatem k vytvoření šroubovicového magnetického pole, které plazma stabilizuje. Tokamaky jsou v současnosti nejvyspělejším a nejrozšířenějším typem fúzního reaktoru. Mezi nejznámější patří JET a budovaný ITER. Nevýhodou klasických tokamaků je pulzní provoz, protože proud v plazmatu je indukován jako v transformátoru.
Stellarator: Toto zařízení také využívá toroidální komoru, ale magnetické pole potřebné pro udržení plazmatu je vytvářeno výhradně pomocí složitě tvarovaných vnějších cívek. Díky tomu nepotřebuje stellarator indukovat proud v plazmatu a může teoreticky pracovat nepřetržitě. Jsou však konstrukčně náročnější. Příkladem je německý Wendelstein 7-X.

💥 Inerciální udržení

Tento přístup je založen na principu miniaturní exploze. Malá kulička (terčík) obsahující fúzní palivo (deuterium a tritium) je zasažena extrémně výkonnými laserovými paprsky ze všech stran.

Komprese: Vnější vrstva terčíku se okamžitě odpaří, což vytvoří obrovský tlak působící dovnitř (princip rakety).
Zahřátí a zapálení: Palivo v centru terčíku je stlačeno na stonásobek hustoty olova a zahřáto na fúzní teploty.
Hoření: Fúzní reakce se zažehne a rychle se šíří z centra ven, přičemž uvolní energii dříve, než se palivo stihne vlivem setrvačnosti rozletět.

Nejvýznamnějším zařízením tohoto typu je National Ignition Facility (NIF) v USA, kde se v roce 2022 podařilo poprvé dosáhnout čistého energetického zisku.

🌍 Významné světové projekty

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor): Největší vědecký experiment na světě, budovaný v jižní Francii ve spolupráci 35 zemí. Cílem tohoto obřího tokamaku je demonstrovat vědeckou a technologickou proveditelnost fúzní energetiky. Očekává se, že ITER vyprodukuje 500 MW fúzní energie při 50MW vstupu, což představuje desetinásobný energetický zisk. Projekt se potýká se zpožděním a navyšováním nákladů, aktuálně se první plazma očekává po roce 2030.
National Ignition Facility (NIF): Světově nejvýkonnější laserové zařízení pro inerciální fúzi, nacházející se v Kalifornii. V prosinci 2022 dosáhlo historického milníku, když vyprodukovalo 3,15 MJ energie z 2,05 MJ laserové energie dodané do terče. V únoru 2024 byl tento rekord překonán s produkcí 5,2 MJ energie.
Wendelstein 7-X: Největší a nejmodernější stellarator na světě, provozovaný v Greifswaldu. Jeho cílem je testovat a prokázat schopnost stellaratorů udržet plazma stabilně po dlouhou dobu, což je klíčové pro budoucí elektrárny.
Tokamak COMPASS-U: Vylepšená verze tokamaku COMPASS, budovaná v Ústav fyziky plazmatu AV ČR v Praze. Bude se jednat o jedno z předních světových zařízení pro výzkum plazmatu a testování komponent pro reaktory jako ITER.

💡 Výhody a potenciál

Jaderná fúze je považována za "svatý grál" energetiky z několika důvodů:

Téměř nevyčerpatelné palivo: Deuterium lze získávat z mořské vody a tritium je možné vyrábět z lithia, které je na Zemi hojně zastoupeno.
Vysoká bezpečnost: Fúzní reaktor je z principu bezpečný. Jakákoli porucha vede k okamžitému ochlazení plazmatu a zastavení reakce. Nehrozí zde riziko roztavení aktivní zóny ani nekontrolovatelné řetězové reakce jako u štěpných reaktorů.
Minimální dopad na životní prostředí: Fúze neprodukuje skleníkové plyny. Hlavním produktem je neškodné helium. Nevzniká žádný dlouhodobý vysoce radioaktivní odpad; aktivace materiálů reaktoru je krátkodobá a materiály budou po vyřazení recyklovatelné.
Vysoká energetická hustota: Malé množství paliva dokáže vyprodukovat obrovské množství energie.

🚧 Výzvy a budoucnost

Navzdory obrovskému pokroku zbývá před komerčním využitím fúze vyřešit několik zásadních výzev:

Udržení stabilního plazmatu: Dlouhodobé udržení plazmatu o dostatečné teplotě a hustotě je stále obtížné.
Materiály odolné vůči neutronům: Stěny reaktoru budou vystaveny intenzivnímu bombardování vysokoenergetickými neutrony, což degraduje materiály. Je třeba vyvinout nové, extrémně odolné slitiny.
Výroba tritia: Tritium je radioaktivní s krátkým poločasem rozpadu a na Zemi se téměř nevyskytuje. Fúzní elektrárny si jej budou muset vyrábět samy v tzv. "plášti" reaktoru z lithia.
Ekonomická rentabilita: Náklady na výstavbu a provoz fúzních reaktorů jsou v současnosti astronomické. Cesta k ekonomicky konkurenceschopné fúzní elektrárně je ještě dlouhá.

Odborníci odhadují, že první demonstrační fúzní elektrárna (označovaná jako DEMO) by mohla být připojena do sítě ve 40. letech 21. století.

🧑‍🏫 Pro laiky: Fúze jako táborák z atomů

Představte si, že chcete zapálit oheň. Potřebujete tři věci: palivo (dřevo), dostatečně vysokou teplotu (sirku) a udržet teplo pohromadě (ohniště).

Jaderná fúze je něco podobného, ale na atomární úrovni a s mnohem větší energií.

Palivo: Místo dřeva používáme speciální druhy vodíku, deuterium a tritium. Je to jako kdybyste měli super-výhřevné dřevo.
Zážeh: Místo sirky potřebujeme něco mnohem, mnohem teplejšího – teplotu přes 100 milionů stupňů, což je více než v jádru Slunce. Při této teplotě se atomy rozpadnou na horkou "polévku" jader a elektronů, které říkáme plazma.
Ohniště: Protože je plazma tak horké, že by roztavilo jakýkoli materiál, nemůžeme ho zavřít do normální nádoby. Místo toho používáme neviditelnou "klec" z extrémně silných magnetů (v případě tokamaku) nebo ho na zlomek sekundy zmáčkneme obrovskou silou laserů (v případě inerciální fúze).

Když se nám podaří tato tři "kouzla" – super-horké palivo udržet v neviditelném ohništi dostatečně dlouho – jádra vodíku do sebe začnou narážet takovou silou, že se spojí. Vznikne nový prvek, helium, a přitom se uvolní obrovské množství energie. Je to, jako by se dvě malá polínka po spojení proměnila v jedno menší polínko a spoustu tepla a světla. A právě tuto uvolněnou energii se snažíme zachytit a přeměnit na elektřinu.

Zdroje

Wikipedie: Jaderná fúze Ušetřeno.cz: Co je jaderná fúze? Doučuji.eu: Co je to jaderná fúze TZB-info: Základy fúzní energetiky II IAEA: Magnetic Fusion Confinement Mind the Graph: Jaderná fúze: Srozumitelný úvod Wikipedie: Inerciální udržení Max Planck Institute: Types of Fusion Devices Quora: How do Tokamaks and Stellarators differ? Aldebaran Glossary: Inerciální fúze Wikipedie: Jaderný fúzní reaktor Tech-info.cz: Jaderná fúze I ČT24: Fúzní reaktor ITER LLNL: National Ignition Facility NHSJS: Stellarator over Tokamak NIF's breakthrough in Laser Fusion Kosmonautix: Zlom v cestě k inerciální fúzi Wikipedie: Termonukleární fúze Reddit: relative merits of stellarator vs tokamak? Wikipedia: National Ignition Facility Velké výzkumné infrastruktury ČR: ITER Silicon Republic: US scientists confirm 'major breakthrough' oEnergetice.cz: Projekt fúzního reaktoru ITER Aldebaran: Fyzika inerciální fúze TZB-info: Základy fúzní energetiky I Vedavyzkum.cz: Jaderná fúze a její využití IPP CAS: Jaderná fúze, quo vadis? Sciencemag.cz: Rekordní výsledky jaderné fúze The Guardian: US scientists achieve net energy gain YouTube: ITER: The $65BN Power Plant of the Future YouTube: ITER | The World's Biggest Nuclear Fusion Mega Project OSEL.cz: Německo přijalo akční plán pro jadernou fúzi Elektřina.cz: 5 zásadních problémů při jaderné fúzi Epoch Times: Jaderná fúze – pokročilý výzkum oEnergetice.cz: Proč jsme stále 30 let od zvládnutí jaderné fúze? Argument: Výhody a nevýhody jaderné energie Seznam Zprávy: Evropa má nového jaderného šampiona E15.cz: Německo plánuje 1. fúzní elektrárnu Wikipedie: ITER