TERMONUKLEÁRNÍ REAKTORY
Věda zatím zvolila dvě základní cesty, kudy se nyní ubírá výzkum
termonukleární syntézy. Základní rozdíl mezi nimi je ve způsobu, jakým se do
"paliva" přivádí potřebná energie pro získání žhavého plazmatu. První
cesta využívá nyní již klasických elektrických pulzů do zředěné směsi
"paliva" v magnetických " nádobách" různého tvaru, druhá v
užívá světelných pulzů vysokovýkonných laserů, soustřeďujících své paprsky
do spalovací komory.
|
 |
|
Reaktor s výbojovou trubicí
prstencového tvaru - Toroid. |
Cesta první:
Hlavní částí současného fúzního reaktoru je prstencová kruhová nádoba,
uvnitř naplněná plazmou zahřívanou silnými elektrickými výboji na vysoké teploty.
Potřebnou vzdálenost plazmy od stěn zajišťují silná magnetická pole.
Touto úpravou se tepelné zatížení stěn sníží na 1 000 až 1 300 °C. Vnitřní
nádoba je obklopena pláštěm z tekutého lithia.
Lithium zde plní několik úkolů. Jednak ochlazuje stěny vnitřní nádoby, jednak
působením unikajících neutronů z procesu
jaderné syntézy se zde rodí tritium.
Současně plní i poslání energetického média. Odvádí vyrobené teplo k
výměníkům elektrárny, kde ohřívá vodu ke klasické výrobě elektrické energie v
turbínou poháněném generátoru.
Další vrstvu obalu tvoří grafitový plášť nebo voda nasycená bórem. Zde se zachycují anebo zpomalují neutrony, které by jinak
pronikaly mimo reaktor.
 |
27 km dlouhý prstenec pro výzkum
elektron-pozitronových interakcí. |
Grafitový štít a bórová clona mají za úkol odstranit problém, který byl
pojmenován jako druhotně vybuzená radioaktivita. Při jaderné
syntéze totiž dochází k lavinovitému úniku neutronů. Neutrony však nemají
elektrický náboj, a proto nepodléhají vlivu magnetického pole. Hrozí proto
nebezpečí, že bez odstínění budou vnikat do jader atomů prvků materiálu, ze
kterého je reaktor zkonstruován. Mnohá z nich pak přemění na uměle radioaktivní
jádra jejich izotopů. Odpad (nebo také výstup) jaderné syntézy sám o sobě
radioaktivní není. Vzniká helium. Není-li však proces probíhající v reaktoru
dokonale stíněn a izolován, stane se radioaktivním sám materiál, z něhož je
reaktor postaven.
Dále je zde tepelná izolační vrstva a soustava supravodivých cívek,
vytvářejících magnetické pole uvnitř reaktoru. Chladicím prostředkem supravodivé
části bývá tekuté helium, snižující teplotu na -269 °C. Reaktor je tedy velmi
složité technické dílo, kde v těsném sousedství leží zóny teplé miliony
stupňů Celsia a části zmrazené k blízkosti absolutní nuly. Předpokládá se, že
elektrický výkon reaktorů tohoto typu by byl 2 000 až 3 000 MW.
Reprezentantem takového termonukleárního reaktoru je známý TOKAMAK, zkonstruovaný v bývalém SSSR. Je to
mezinárodně přijatý souhrnný název pro reaktory s výbojovou trubicí prstencového
tvaru, nazývanou toroid, uloženou v silném magnetickém poli. K
zapálení výboje v takové trubici není třeba umísťovat elektrody. Stačí situovat
trubici tak, aby tvořila sekundární vinutí transformátoru, a do primáru
transformátoru pak zavést impulz elektrického proudu. Tím vznikne uvnitř výbojové
trubice elektrické napětí; které ionizuje deuterium. Obdobně jako v trubici s
elektrodami nastane uzavřený prstencový výboj, který se po jeho zúžení vlivem
silného magnetického pole soustředí v ose trubice a stěn se vůbec nedotkne.
|
 |
|
Závislost Lawsonova kritéria
na dosažených teplotách plazmy u různých typů toroidních komor. |
Aby termonukleární reakce vznikla a udržela se, je v reaktoru zapotřebí
zahřát určité množství "paliva" na vysokou teplotu a udržet ji po
určitou dobu v konzistentním stavu. Vzájemné vztahy mezi druhem "paliva",
jeho množstvím, minimální výškou potřebné teploty a dobou nutnou k proběhnutí
reakce jsou mezi sebou vázány a popsány tzv. Lawsonovým
kritériem. To znamená, že je možno určit při změně jedné z výše uvedených
hodnot hodnoty ostatní, neboť ty se závisle mění. Věda tak získala užitečného
pomocníka s velice užitečnými důsledky.
Jako příklad můžeme uvést hodnoty plynoucí z Lawsonova kritéria pro fúzi deuteria
a tritia. Pro zdárný průběh této reakce je potřeba, aby reagovalo 1.1014
jader za sekundu v 1 cm3 plazmy při
teplotě 5.107. Pro samotné deuterium by tato tepelná hodnota dosáhla
hodnoty 5.109 K. Kelviny jsou
odvozeny od absolutní teploty. Pro přepočet Kelvinů na °Celsia platí rovnice:
T (K) = 273,16 + t (°C)
Termonukleární fúze by se tedy měla kontrolovaně rozhořet při teplotě 50 milionů
kelvínů v plazmě o hustotě 100 bilionů jader v jednom krychlovém centimetru po dobu
minimálně jedné sekundy. Zatím se to však nepodařilo. Úspěšné dokončení díla
je úkolem dalšího, nijak levného výzkumu.
 |
Celkové energetické schéma
termonukleárního fúzního reaktoru. 1-toroidní fúzní reaktor, 2-plazma o teplotě
200 mil K, 3-toroidní nádoba fúzního reaktoru, 4-chladící plášť reaktoru s
tekutým lithiem, 5-ochranný plášť z grafitu nebo vody, 6-tepelná izolace,
7-stínění elektromagnetů, 9-chlazení elektromagnetů tekutým lithiem, 10-vakuová
mezistěna, 11-přívod elektrické energie potřebné ke startu reaktoru, 12-napájení
elektromagnetů elektrickým proudem, 13-biologické stínění reaktoru, 14-chladící
zařízení (-269° C), 15-čerpadlo lithia, 17-odlučovač tritia (T), 18-zásobník
nového tritia vyrobeného v reaktoru, 19-zásobník deuteria (D), 20-příprava zásob
D-T pro reaktor, 21-vstřikovací zařízení D-T do reaktoru, 22-vakuové čerpadlo,
23-odlučovač plynu, 24-zásobník helia, 25 a 26-parogenerátory, 27-kondenzátor,
28-čerpadlo kondenzátu, 29 a 30-turbosoustrojí. |
|
 |
|
Základní energetické schéma
termonukleárního laserového reaktoru. 1-laser, 2-soustava odrazových zrcadel,
3-děliče paprsků, 4-kaskáda násobičů laserových paprsků (zesilovače),
5-směrovací zrcadla, 6-soustava odrazových zrcadel, 7-reaktor |
Cesta druhá:
Jiným myšlenkovým proudem v řešení termonukleární reakce je taková konstrukce
reaktoru, kde energie zvyšující teplotu deuteria není dodávána elektrickými pulzy,
ale světlem laserových paprsků.
Termonukleární syntéza proběhne působením svazků laserových paprsků na kapsle
obsahující směs deuteria a tritia. K tomuto účelu se používají plynové lasery.
Paprsky se mnohonásobně zesilují.
Jeden světelný pulz laserové soustavy je pak schopen během 100.10-12
sekundy předat ozářené kapsli světelnou energii až 50 kJ, což odpovídá špičkové vstupní
energii až 100.106 MW.
Kapalné kapsle o průměru maximálně 1 mm jsou zaváděny labyrintem do aparatury a v
jeho středu padají do spalovací komory, která má průměr 3 mm. Ve spalovací komoře
jsou ozařovány soustředěnými svazky laserových paprsků. Rychlost rozpadu kapsle se
blíží 8500 m/s. Vzniklé žhavé plazma je
schopno termonukleární reakce.
Uvolněná tepelná energie se v tomto typu reaktoru bude odvádět prostřednictvím
tekutého lithia do tepelných výměníků.
Elektrický proud se pak bude vyrábět zcela konvenčním způsobem v parogenerátorech.
Elektrický výkon reaktorů tohoto typu se uvažuje do 1000 MW.
Předpokládá se, že v případě úspěšného zvýšení účinnosti laserů ze
současných 10 % na 30 % a použití směsi izotopu bóru a vodíku by bylo možné
očekávat zvýšení výkonu reaktorů tohoto typu až na 3 000 MW.
Očekává se také, že reaktory prvního typu by byly značně rozměrné a výběr
lokalit pro jejich umístění obtížnější než u reaktorů druhého typu. Laserové
reaktory by se mohly konstruovat i pro podstatně menší výkony (od 50 do 200 MW). Mohly
by se stavět i v menších městech, v průmyslových podnicích anebo i jako pojízdné
(mobilní) jednotky.
Mezi největší a nejznámější světová zařízení tohoto typu patří ruská
dvacetiprvková FLORA a americká SHIVA o výkonu 200 TW v jednom pulzu.
 |
Schéma jiné varianty termonukleárního
laserového reaktoru. 1-vakuová komora reaktoru, 2-vstup pelet D-T, 3-vstup laserových
impulzů dvanácti trubicemi, 4-lithiová ochranná stěna, 5-porézní stěna,
6-vnitřní stěna reaktoru, 7-hlavní tlaková nádoba, 8-hlavní čerpadlo,
9-recirkulační čerpadlo, 10-supersonický kondenzátor, 11-sekundární okruh páry,
12-parní generátor, 13-čerpadlo kondenzáru, 14-pelety D-T. |
Termonukleární elektrárny
Snahou a veškerým úsilím výzkumu je v konečné fázi zkonstruovat a postavit
skutečnou funkční termonukleární
elektrárnu. Prvním předpokladem je tedy dosáhnout takového stavu syntézy, aby
energie do procesu dodávaná byla převýšena energií z procesu odebíranou.
Energetický zisk je plně závislý na výšce teploty dosažené ve "spalovacím
prostoru" zařízení.
Přes všechny dosavadní úspěchy, kdy se krůček za krůčkem stupeň dosažené
teploty zvyšuje, je cesta k plnému využívání termonukleární energie značně
vzdálená.
Dnes lze jen těžko předpovědět, jak bude zařízení i celá elektrárna vyhlížet i
jaký typ reaktoru bude použit. Volba bude záležet na mnoha dosud ještě ani ne dobře
známých okolnostech.
Bude-li uvažována účinnost 40 %, pak pro elektrický výkon 1000 MW bude nutné
dosáhnout výkon reaktoru 2 500 MW.
Dá se tedy pouze předpokládat, že materiál, který bychom volili dnes, bude použit i
v budoucnosti. Dnes bychom jistě pro prstenec komory kvůli vysokým teplotám volili
molybdenové slitiny. Uzavřen by měl být v plášti naplněném roztavenými solemi
fluoridů berylia a lithia. Kolem této vrstvy bude další ochranný plášť na ochranu
proti neutronům.
Vinutí magnetů bude provedeno ze supravodivého materiálu. Povaha provozu bude
potřebovat ještě dodatečný zdroj tritia vyráběného z lithia ostřelováním
neutrony.
V případě využití laserových reaktorů není vyloučeno, že bude použito
hvězdicovité uspořádání laserových systémů.
V USA pracuje zařízení HELIOS. Je vybaveno osmi laserovými paprsky a uprostřed je
válcová nádoba s terčíkem stlačeného paliva.
HELIOS může vyvinout energii 10 kJ. Vstupní okna terčové komory mají průměr 350
mm. Pulzy trvají 0.5 až 1 ns (1 ns (nanosekunda) = 10-9sec) a mají hladinu
výkonu 20 TW. Lasery CO2 mohou opakovat pulzy 750 krát za sekundu.
|
 |
|
Princip termonukleárního
reaktoru laserové fúze typu HELIOS firmy LASL (USA). 1-terčová komora reaktoru HELIOS
s HArtmannovým mechanismem dávkování paliva (D-T), 2-otočná a fokusová zrcadla,
3-palivový terčík, 4-dvojitá pulzní laserová děla. |
V roce 1984 bylo uvedeno do provozu zařízení ANTARES. Je desetinásobně
výkonnější než HELIOS. K zařízení je připojeno 6 laserových zdrojů.
Výroba palivových terčíků je velmi složitá a nákladná. Náplň D-T
(deuterium-tritium) je uzavřena pod vysokým tlakem při nízkých teplotách do kapslí
a je pokryta kovovými, plastovými anebo kombinovanými skořápkami. Ideální a velmi
výhodné bude vynechat tritium a fúzní reakci provozovat pouze na základě deuteria.
Příprava materiálů by se tím podstatně zjednodušila a zlevnila. To bude ovšem
vyžadovat ještě další mnohaletou přípravu, protože tímto krokem by se opět
zvýšila nutná teplota v reakčním poli.
Výhled na spuštění první funkční termonukleární elektrárny s parogenerátorovým
mezistupněm se odhaduje na první polovinu 21. století.
|