1. Současné zdroje energie
1.1 Fosilní paliva
Spalováním fosilních paliv jako je uhlí, ropa a zemní plyn se vyčerpávají zásoby, které příroda tvořila miliony let a zároveň se tím značně znečišťuje již tak dosti poškozené životní prostředí. Vznikají také některé z tzv. skleníkových plynů (např. CO2), které globálně oteplují zeměkouli. K dnešku vzrostla průměrná teplota Země o 33° C (z –18° na +15°). Tepelná elektrárna o výkonu 1 000 MW za rok spotřebuje 250 vlaků uhlí po 100 vagónech, to je cca 2 500 000 t uhlí. Odpadními produkty jsou obrovská množství CO2, NO2, CO a popílku. Do elektrárny stejného výkonu, která jako palivo používá ropu, bude třeba dopravit ropu z 11 obřích tankerů, což je přibližně 1 749 000 000 litrů. Do ovzduší se dostane 10 950 000 t CO2, 219 000 t SO2 a 29 000 t NO2.
1.2 Ekologické zdroje energie
Obnovitelné zdroje jsou naproti tomu ekologicky čisté, ale mnohonásobně ekonomicky náročnější a navíc nejsou sami schopny pokrýt energetickou spotřebu lidstva
1.2.1 Voda
Pokusíme-li se naši tepelnou elektrárnu (o výkonu 1 000 MW) nahradit elektrárnou vodní, zjistíme, že pro její vysoké požadavky na spád a objem vodního toku by si ji mohla dovolit jen málokterá země.
1.2.2 Vítr
Pro větrné elektrárny je potřeba zase poměrně velká plocha s často vanoucími větry. I to je velký problém. Ani takových míst není na světě tolik, aby vítr mohl nahradit jiné zdroje energie.
1.2.3 Sluneční záření
Obrovské možnosti do budoucna skýtá solární energie. Ovšem dnes je výroba solárních kolektorů velmi náročná a drahá, nemluvě o tom, že pro nahrazení běžné elektrárny by byl potřeba článek o rozloze zhruba 20 km2. Navíc je nutné počítat s tím, že Slunce vlivem oblačnosti mění intenzitu svého záření a přes noc nesvítí vůbec (respektive svítí, ale neosvětluje tu část Země, kde je noc). A proto se musí tyto články doplnit o zásobníky energie.
1.3 Jaderná energie
Jaderné elektrárně (pracujicí na principu štěpení jader) postačí za rok zásoba 28 t uranové rudy. Toto množství je oproti ostatním zdrojům minimální, ale i přes složitá ochranná opatření je zde stále malé riziko atomového výbuchu s nesmírnými následky pro život na této planetě. Obrovským problémem při provozu jaderné elektrárny je dlouhodobě vysoce radioaktivní vyhořelé palivo. Dnes je ho na světě již přes 200 000 t.
Ve srovnání s ostatními zdroji energie by fúzní reaktor obstál na výbornou. Palivem by totiž za rok bylo pouze 180 kg deuteria a 270 kg tritia. Jako odpad vznikne 410 kg helia s možností jeho dalšího zpracování.
2. Princip fúzního reaktoru
2.1 Jaderné reakce
Jaderné reakce jsou jaderné přeměny, k nimž dochází při vzájemných interakcích jader s různými částicemi nebo jader navzájem. Energii z atomových jader můžeme uvolnit pomocí jaderných reakcí dvěma různými způsoby: fúzí a štěpením. Při těchto jaderných reakcích dochází ke slučování, resp. dělení atomových jader na jádra s větší vazbovou energií a na nukleon (nukleony) tak, že součet výsledných hmotností vzniklých jader je vždy menší než celková hmotnost jader původních. Podle Einsteinova vzorce E=mc2 se příslušný úbytek hmotnosti projeví ve formě uvolněné energie.
2.1.1 Jaderné štěpení
Při této jaderné reakci se v reaktorech využívá vzájemné interakce atomových jader prvku (nejč. 235U) s neutrony. Neutron jako částice bez náboje není jádrem odpuzován a jaderná reakce může proběhnout již při malé teplotě. Jádro uranu se rozpadá na dvě nestabilní jádra prvků ležících uprostřed periodické soustavy prvků, které se dále rozpadají. Při každé štěpné reakci vzniká určitý počet neutronů a uvolňuje se energie. Vznikající neutrony mají značnou kinetickou enrgii, ale po zpomalení látkou zvanou moderátor (např. voda, grafit) mohou vyvolat štěpení dalších jader uranu. Počet rozštěpených jader lavinovitě narůstá a vzniká řetězová jaderná reakce.
2.1.2 Termojaderná fúze (syntéza)
Při jaderné fúzi je třeba sloučit dvě jádra lehkého prvku (u fúzního reaktoru plyné - deuterium a tritium nebo jen deuterium), aby vznikl prvek těžší (helium). Problém přitom je, že obě jádra mají stejný náboj a vzájemně se tedy odpuzují. Je potřeba zvýšit teplotu na takovou hodnotu, aby se molekuly rozpadly na atomy, které začnou velmi rychle kmitat a i přes odpor vyvolaný stejnými náboji, do sebe narážet. Ale na to, aby získaly energii umožňující jim srážku s jiným atomem, je potřeba teplota přibližně 108 °C. Problémem je kde tento velmi horký plyn (plazma) uchovat. Materiál na udržení horkého plazmatu dnes prostě neexistuje, bylo tedy vymyšleno náhradní řešení.
2.2 Jak uchovat plazma
2.2.1 Inerciální udržení
Jednou z možností jak dosáhnout termojaderné fúze je extrémně rychlé ohřátí hmoty, kdy prudké zvýšení teploty zabrání vnějším vlivům v působení na reagující hmotu. K provedení takové operace je nutné vytvořit tabletu zmraženého vodíku, která se spustí do speciální komory. Zde ji zasáhne pulz energie laseru namířeného z několika směrů. Tímto rychlým zásahem nastanou v tabletě podmínky pro termojadernou fúzi. Během zlomku sekundy (řádově v nanosekundách) se vytvoří využitelná energie. Trvalého přísunu energie by se mělo dosáhnout neustálým bombardováním stále nových vodíkových tablet laserem. Problém je, že takto výkonné zařízení nebylo doposud zkonstruováno.
2.2.2 Magnetické udržení
Jinou (a dnes mnohem reálnější) možností je udržení plazmatu pomocí magnetického pole, které je tvořeno množstvím podivně zkroucených cívek. Toto zařízení se nazývá stelarátor. Na tomto principu funguje i tzv. tokamak (Slovo tokamak vzniklo z ruštiny, ze čtyř počátečních slov jakými Rusové nazývají tokamak - ТOK, КАMEPA И МАHTHЫΕ КATYШЬИ). Plazma se pohybuje ve vakuu v duté cívce transformátoru, aniž by se dotýkalo jejich stěn. Dochází zde k velice složitým jevům, jejichž výsledkem je postupné ohřátí plazmatu na teplotu, při niž nastává termojaderná fúze.
tokamak
tokamak zevnitř (ITER)
3. Fúzní reaktor
3.1 Schéma fúzního reaktoru
Koncepce tokamaku se zrodila v 50. létech v SSSR a u jeho zrodu stál L.A.Arcimovič. Rozměry tokamaků se neustále zvětšovaly až dosáhly dnešních poloměrů prstence 2-3 m a průměrů komory ~2 m. Při použití supravodivých cívek se vytváří toroidální (prstencové) magnetické pole síly až 5 T. Proud v plazmatu dosahuje hodnot až 21 MA a výboj trvá méně než 20 s. Pro budoucí využití v energetice je však ještě potřeba dořešit otázky spojené s tepelným zatížením stěn tokamaku, výměnou paliva a omezením ztrát energie plazmatu.
3.2 reaktory JET a ITER
V současnosti je největším tokamakem světa JET (Joint European Torus)v Culhamu v Anglii s poloměrem prstence 3 m a komorou 1,25*2,1 m. V roce 1997 produkoval termojadernou energii špičkově o výkonu 16,1 MW po dobu 5 s více jak 5 MW.
V roce 1998 byla dokončena projektová příprava mezinárodního tokamaku ITER (International thermonuclear experimental reactor) s poloměrem prstence 8,14 m, komory 2,8 m a fúzním výkonem 1,5 GW. Z finančních důvodů se dnes projekt nachází v mrtvém bodě.
3.3 Srovnání fúzního reaktoru s ostatními zdroji energie
3.3.1 Srovnání z energetického hlediska
Druh reakce Energetický výtěžek[kWh∙g-1]
Fúze D+D => 3He+ a 27 000
Fúze D+3He => 4He+ p 94 000
Fúze D+T => 4He+a 98 000
Štěpení 235U 24 000
Hoření vodíku H2+O => H20 0.0044
Jiné druhy spalování < 10-3
3.3.2 Srovnání radioaktivity štěpného a fúzního reaktoru po jejich odstavení
3.4 Využití fúzního reaktoru
Průmyslové využití termojaderné syntézy by představovalo zvládnutí nového mocného a téměř nevyčerpatelného zdroje energie. Je ale takový zdroj vůbec nějak zajímavý z hlediska dnešní energetiky? Po pravdě řečeno ne. Termojaderný reaktor jakéhokoli typu, pokud se nebude výrazně lišit od našich současných představ, bude mohutným zdrojem energie, který bude mít poměrně nízké provozní náklady (palivo téměř zdarma), nicméně velmi vysoké náklady investiční. Z tohoto důvodu i z hlediska řízení provozu bude vhodný zejména pro trvalý provoz - k neustálé dodávce energie při plném výkonu. Nebude se hodit k pokrývání krátkých špičkových odběrů, které dnes trápí energetiky nejvíce. Bude velmi náročný na technologickou kázeň a vysokou odbornost personálu, což je sice z hlediska celospolečenského příznivé, ale investora ani zodpovědného provozovatele takové komplikace rozhodně nepotěší.
V roce 1956 se konala konference v Harwellu v Anglii, kde své výzkumy odtajnily doposud samostatně pracující státy: Sovětský svaz, USA a Anglie. Tehdy se zdálo, že bude možné fúzní energii využívat již v blízké budoucnosti. Očekávání se nesplnila a nynější odhady možnosti praktického využití fúzního reaktoru se pohybují kolem roku 2030.
Seznam použité literatury:
[1] Svoboda, E. a kolektiv: Přehled středoškolské fyziky. 1 vydání SPN Praha 1991. 508 str.
[2] Laciok, A.: Co s vyhořelým jaderným palivem? Vesmír, 2000, č.4, str.190 – 195
[3] http://sco.ipp.cas.cz/tokamak/welcome.html
[4] Sedm argumentů pro zastavení projektu JETE (publikace Hnutí Duha). 1999
Maturita.cz - referát (verze pro snadný tisk)
http://www.maturita.cz/referaty/referat.asp?id=4687