Aktuality

Výuka jaderné fúze na Fakultě strojní

Publikováno: 12. 09. 2017

V roce 1997 fúzní reaktor JET v britském Culhamu dosáhl řízenou fúzní reakcí 16 MW fúzního výkonu a prokázal tak možnost řízeného uvolňování jaderné energie pomocí slučování jader atomů. Tím otevřel cestu k fúzní energetice.

st_programy/jaderna_energeticka_zarizeni/FuznireaktorJET.jpgFúzní zdroje energie jsou přirozenou součástí vesmíru. Lidská společnost existuje ve své podobě jen díky fúznímu zdroji energie, Slunci. Začleněním pozemských fúzních zdrojů do energetiky bude možné získávat levnou energii v neomezeném množství a bez jakéhokoliv ohrožení životního prostředí. Fúzní elektrárna budoucnosti o elektrickém výkonu Jaderné elektrárny Temelín spotřebuje méně než 2 kg vodíkových izotopů za celý den, které získá separací z 60 m3 vody. Odpadem fúzní reakce bude denně přibližně 1,2 kg inertního helia, které bude využito pro vnitřní potřebu elektrárny. Zásoby fúzního paliva na Zemi jsou natolik velké, že mohou uspokojovat energetickou spotřebu lidstva několik miliard let po celou dobu existence Země. Až přibližně za 5,3 miliardy let exploduje Slunce, na Zemi bude teoreticky stále dostatek fúzního paliva.
Úplná vnitřní bezpečnost fúzních zdrojů energie je založena na tom, že v pozemských podmínkách nemůže jaderná fúze samovolně probíhat. Vytvoření podmínek pro fúzní reakci v reaktoru vyžaduje sofistikovanou podporu řady reaktorových technologií. Odpojení nebo selhání kterékoliv z těchto technologií vede k okamžitému zastavení reakce. Fúzní reaktor je proto inherentně bezpečný zdroj energie.
Souhrn vlastností fúzního paliva a fúzních zdrojů energie je následující.

Fúzní palivo:

  • je nepatrnou součástí vody,
  • je dosažitelné v kterékoliv části světa,
  • po dobu existence Země je nevyčerpatelné,
  • jeho využívání nijak neohrozí životní prostředí.

Fúzní zdroje energie:

  • budou zcela bezpečné,
  • budou zcela bezemisní,
  • nebudou produkovat žádné vyhořelé palivo nebo popel,
  • poskytnou konstantní vysoký výkon nezávislý na počasí.

 
Fúze atomových jader je velmi silný energetický zdroj, který vyžaduje adekvátně silná, odolná a výkonná technologická zařízení. Komponenty fúzních reaktorů budou zatíženy vysokým energetickým tokem a jejich vývoj vyžaduje rozsáhlý materiálový a technologický výzkum, podobný například dřívějšímu vývoji keramických dlaždic pro ochranu raketoplánů. Termojaderné plazma o teplotě v řádu stovek milionů stupňů Celsia, ve kterém bude probíhat fúzní reakce, bude radiačně i kontaktně působit na konstrukci reaktoru. Proto musí být komponenty obklopující plazma vyrobeny z vysoce radiačně a tepelně odolných materiálů s intenzivním chlazením.

Protože doposud neumíme vyrobit komponenty schopné dlouhodobě odvádět vysoké energetické toky, jsou vyvíjeny komplexní robotické systémy dálkové diagnostiky a manipulace, které budou poškozené reaktorové komponenty pravidelně vyměňovat.

Vývoj potřebných zařízení pro energetické využití jaderné fúze vyžaduje široké zapojení inženýrů a techniků do fúzního výzkumu. V současnosti probíhá výstavba velkého experimentálního fúzního reaktoru ITER, který je určen pro vývoj a testování technologií budoucích fúzních elektráren. Projekt ITER je největším pozemským vědeckým projektem v dějinách lidstva. Na jeho výstavbě se podílí 7 partnerů – EU, USA, Ruská federace, Čína, Indie, Japonsko a Jižní Korea. Účastníci projektu představují více než 50% lidské populace a produkují 80% celosvětového HDP.

st_programy/jaderna_energeticka_zarizeni/RezreaktoremITER.jpgReaktor ITER bude mít fúzní výkon 500 MW a bude demonstrovat řízení plazmatu a řadu reaktorových technologií, např. supravodivé magnety, systémy ohřevu plazmatu, vakuový systém, palivový systém nebo tritiové hospodářství. Jde o důležitý krok, který poskytne data potřebná pro výstavbu a provoz prototypů elektráren označovaných jako demonstrační fúzní elektrárny DEMO.

Světové velmoci se shodly na časovém plánu, podle kterého by měl být prototyp fúzní elektrárny zprovozněn nejpozději do roku 2050. V Evropské unii byla v roce 2012 zahájena konceptuální fáze projektu, která potrvá do roku 2020. Zpracování projektové dokumentace je naplánované na období 2020-2030 a zahájení výstavby elektrárny na rok 2031. Podobné projekty také zahájily Čína a Jižní Korea.

st_programy/jaderna_energeticka_zarizeni/FuznireaktorDEMO.jpgElektrárna DEMO bude pravděpodobně postavena na bázi fúzního reaktoru tokamak. Velikost reaktoru a jeho výkon jsou předmětem koncepčního řešení, které se právě zpracovává. Turbínová část elektrárny se nebude výrazně odlišovat od současných jaderných elektráren, prozatím ale není rozhodnuto, jaká budou použita chladicí média reaktoru. Zvažují se možnosti chladit reaktor tlakovou vodou, heliem nebo tekutými kovy.
Obava z jaderných havárií některé země vede k odklonu od jaderných elektráren směrem k méně efektivním technologiím. Fúzní elektrárny nabídnou inherentní bezpečnost a budou vyrábět elektrickou energii stejně bezpečně a ekologicky jako obnovitelné zdroje energie, avšak s vysokým a konstantním energetickým výkonem nezávislým na počasí nebo geografických podmínkách a bez potřeby fosilních záskokových zdrojů. Proto je jaderná fúze právem považována za budoucnost světové energetiky.

Nový předmět „Jaderná fúze “ zajišťovaný Ústavem Energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze srozumitelnou a stručnou formou poskytne studentům klíčové informace o aktuálním stavu výzkumu jaderné fúze a vyvíjených fúzních elektrárnách. Studenti si také v případě zájmu mohou zvolit téma bakalářské nebo magisterské práce z oblasti fúzních technologií a energetického využití jaderné fúze.

Energetika je jednou z klíčových a nepostradatelných oblastí průmyslu a výzkum jaderné fúze je odpovědí na její současné problémy a výzvy. Podle plánu Evropské unie má být první elektřina z jaderné fúze vyrobena do roku 2050. K tomu jsou ale nezbytní kvalitní odborníci z široké řady oblastí, kteří se budou ve fúzních technologiích orientovat. Proto, pokud chcete být u jedné z největších vědecko-technických revolucí blízké budoucnosti, neváhejte a zapište se na tento nový předmět. Jaderná fúze má jako jediný známý energetický zdroj potenciál poskytnout lidstvu na příští miliony let silný, nevyčerpatelný, čistý a bezpečný zdroj energie.
 
Slavomír Entler
slavomir.entler@fs.cvut.cz
Ústav energetiky FS ČVUT
 

VLASTNOSTI FÚZNÍHO ZDROJE ENERGIE

Přírodní zdroj
Fúzní energie se uvolňuje ve všech hvězdách a je to základní energetický zdroj celého vesmíru. Bez jaderné fúze by neexistoval vesmír v podobě, v jaké jej známe. Lidstvo a celá biosféra od svého vzniku závisí na fúzním zdroji energie – Slunci.

Nevyčerpatelný zdroj energie
V oceánech se nachází přibližně 4,76x1016 kg deuteria. Toto množství zajistí energetické potřeby lidstva po celou dobu existence Země. Kromě pozemských zásob se nekonečné množství fúzního paliva nachází ve vesmíru (pokud je vesmír nekonečný).

Palivo přístupné kdekoliv po celém světě
Zásoby fúzního paliva se nacházejí v dostatečné míře v přímém dosahu celého lidstva ve vodě, především ve světových oceánech. Fúzní zdroje energie proto odstraní spory a války o přístup k energetickým surovinám a zmizí energetická závislost jedněch zemí na druhých.

Neomezený a škálovatelný výkon
Na rozdíl od jiných energetických zdrojů jaderná fúze umožňuje uvolňovat energii bez omezení výkonu, od pozemských reaktorů až po supernovy.

Bezpečný zdroj
Fúzní zdroje energie jsou inherentně (vnitřně) plně bezpečné. V pozemských podmínkách neexistuje žádná možnost samovolné jaderné exploze fúzního paliva. Kromě toho bude množství paliva v reaktoru velice malé, v řádu gramů.

Nulové emise
Výroba energie ve fúzních zdrojích probíhá zcela bez emisí.

Helium jako odpad
Odpadem fúzní reakce je helium. Helium je přírodní, inertní, neškodný plyn, kterého je na Zemi nedostatek. Produkce odpadního helia bude ale natolik nízká, že bude využito přímo v elektrárnách.

Sekundární radioaktivita
V prvních generacích fúzních reaktorů budou nositeli energie vysokoenergetické neutrony. Tyto neutrony způsobí sekundární radioaktivitu vnitroreaktorových komponent. Objemově však půjde o malé množství speciálních nízkoaktivovatelných materiálů. V budoucnosti bude ve fúzních reaktorech probíhat bezneutronová fúze, která sekundární aktivaci prakticky odstraní.

Přímé generování elektřiny
Bezneutronová fúze v budoucnu také umožní přímé generování elektrické energie v MHD generátorech bez termodynamického cyklu. Několikanásobně se tím zvýší účinnost elektráren a z elektráren zmizí vysoké chladicí věže.

Zdroj levné energie
Po zvládnutí technologie fúzních reaktorů bude cena vyrobené elektřiny nižší než cena elektřiny vyrobené v jiných typech elektráren. Důvodem je, že zdrojem paliva bude nepatrná příměs vody, jejíž energetický obsah je obrovský. Fúzní elektrárny nebudou závislé na klimatických podmínkách a nebudou vyžadovat záskokovou kapacitu jako současné obnovitelné zdroje.