Co je jaderná fúze? Jak nástroj funguje?

V současné době vyrábějí jaderné elektrárny energii využitím procesu štěpení. Jaderné štěpení zahrnuje odebrání těžkého atomu, jako je izotop uranu U-235, a jeho rozdělení na dva lehčí atomy. Tento proces uvolňuje enormní množství využitelné energie. 

Dělení se iniciuje bombardováním U-235 neutrony. Když tyto neutrony kolidují s atomy U-235, uvolňují další neutrony, které pak kolidují s dalšími atomy U-235 a vytvářejí řetězovou reakci. Tato reakce může také způsobit elektromagnetické záření. Aby se maximalizovala výroba energie, musí se kontrolovat počet neutronů použitých při štěpení, aby se zabránilo úmrtí nebo úniku řetězové reakce. 

Fisiční reaktory využívají vyrobenou energii stejným způsobem jako konvenční elektrárny. 
K štěpení dochází v reaktorové nádobě, zmírněné regulačními tyčemi. Teplo z reakce se používá k ohřevu vody a k výrobě páry. Tato pára pak otáčí turbínou a vyrábí elektřinu. Pro bezpečnou likvidaci použitého paliva jsou zapotřebí další kroky, protože jsou radioaktivní a mohou mít poločas rozpadu více než 10 000 let. V mnoha případech činí náklady na vyřazení z provozu až 15 % počátečních kapitálových nákladů.

K vytvoření paliva pro jadernou štěpení je nejprve nutné obohacení, aby se zvýšila koncentrace uranu-235 z 0,7 % hojnosti, která se přirozeně vyskytuje v uranové rudě, na 4-5 % potřebných pro proces štěpení. To se provádí pomocí 1 000-2 000 stupňů centrifugy. Za tímto účelem je uranová ruda přeměněna na plyn UF6, zpracována a po obohacení přeměněna na palivové pelety. Proces odstřeďování je pečlivě řízen za použití specifických parametrů vakua.

K únoru 2026 bylo v provozu 416 reaktorů s čistou kapacitou ~400 GWe v 31 zemích. Tyto reaktory produkují přibližně 9 % světové elektřiny. Kromě toho se staví 70 jaderných reaktorů. Uranová ruda se získává v 10 zemích a má energetickou hustotu 70 000krát vyšší než u fosilních paliv. Náklady na výstavbu jaderné elektrárny se mohou pohybovat v rozmezí 2 až 20 miliard $, přestože je možné vyvinout levnější, menší jednotky.

K dosažení fúze bylo navrženo mnoho různých přístupů. Existují však dva hlavní typy uzavřených prostorů, které se zkoumají.

Magnetická fúze (MCF) je pravděpodobně nejpříznivější cestou ke komerční výrobě energie. Využívá řadu velmi silných supervodivých magnetů, přičemž k chlazení magnetů a optimalizaci výkonu zařízení se používá kapalné helium.

Nejběžnějšími zařízeními pro magnetický zádržný systém jsou Tokamak a Stellarator, i když některá zařízení experimentovala se zařízeními, která používají magnetická zrcadla. Všechny tři typy zařízení se skládají z centrální vakuové nádoby, v níž se nachází plazma a dochází k fúzní reakci. Vakuová nádoba je obklopena kryostatem, ve kterém jsou umístěny a chlazeny supervodivé magnety. Tokamak má toroidní tvar, Stellarator připomíná zkroucenou stuhu, zatímco zrcadlový stroj má válcový tvar. Magnetické pole neustále spojuje atomy dohromady a vysoké teploty umožňují „zapálení plazmy“.  

Druhým běžným typem izolace je inertní izolační tavení (ICF). Tato technika extrahuje energii tavení bombardováním malých pelet (1 až 3 mm) DT paliva lasery nebo nabitými částicovými paprsky, aby se směs stlačila a zahřála do vznícení. Zde se vznícením rozumí stav, kdy se zastaví všechny alfa částice, které způsobují zahřívání plazmy.

Komprese a ohřev se provádí velmi rychle pomocí krátkých pulzů (1 až 10 ns) vysoce výkonných laserů, rentgenu nebo iontových paprsků, které palivo protínají z mnoha směrů. Zařízení s přímým pohonem dodávají kompresní energetické impulzy přímo do palivových pelet. U technik ICF s nepřímým pohonem jsou palivové pelety umístěny v malé kovové nádobě (dutině/spalovací komoře). Lasery se pak zaměří na dutinu a zahřejí ji na plazmu, která vyzařuje rentgenové záření, které je následně absorbováno peletou. Peleta se pak stlačuje stejným způsobem jako „přímý pohon“. V porovnání s přístroji s přímým pohonem je přístup s nepřímým pohonem výrazně méně účinný. Technika nepřímého pohonu se používá v simulacích jaderných zbraní. 

Za účelem vytvoření elektřiny z ICF jsou palivové pelety spuštěny do vakuové reakční komory, kde se zapálí. Záření z plazmy a fúzních neutronů je absorbováno kapalným lithiem. Teplo se využívá při konvenční výrobě páry a tritium se vyrábí k recyklaci jako nové palivo.

Fúze má potenciál vyrábět obrovské množství energie pouze z velmi malého množství paliva – v komerčním reaktoru jen asi 250 kg ročně – jakmile je dosaženo trvalého vznícení. 

Hlavními výhodami tavení jsou hojnost paliva ve srovnání s uhlovodíkovými zdroji, absence škodlivých vedlejších produktů, jako jsou skleníkové plyny, a jeho jiskrová bezpečnost ve srovnání s jadernou štěpením. 

Ve srovnání s štěpením má jaderná fúze další výhody: 

• Zatímco tavná reakce uvolňuje neutrony, které jsou pro člověka nebezpečné, tyto neutrony jsou zadržovány a výroba neutronů se zastaví téměř okamžitě po vypnutí elektrárny.  
  
• Fúze je přirozeně bezpečnější, protože nedochází k řetězovým reakcím, úniku nebo roztavení.
  
• Tavení vede k extrémním teplotám, ale pokud by došlo k úniku plazmy, teplo by se rychle rozptýlilo, aniž by způsobilo poškození.
  
• Neutrony mohou představovat nebezpečí, ale snadno se zastaví.
  
• Zatímco jaderná fúze produkuje radioaktivní odpad, tato radioaktivita je krátkodobá – zejména ve srovnání s odpadem vznikajícím štěpením. Patří sem neutronová bombardovací céva.  
  
• Odpad vzniklý tavením není nutné přepravovat k likvidaci, skladování nebo opětovnému zpracování.

Požadavky na vakuum v tavných reaktorech závisí na typu uzavření a velikosti reaktoru.

Největší potřeba vakua v magnetickém uzavřeném prostoru je v centrální vakuové komoře a okolní kryostatické komoře. To může být více než 100 m³, což musí být pod UHV (přibližně 10-9 mbar), aby se zabránilo kontaminaci plazmy. 

Podtlak je také potřebný pro výrobu tritia, čerpání helia a recirkulaci paliva. V případě inertního tavení v uzavřeném prostoru musí být všechny laserové nebo částicové paprsky evakuovány spolu s reakční komorou.

Stejně jako u magnetického uzavření se může jednat o velmi velký objem vyžadující ultravysokou hustotu, aby se zabránilo ztrátám a aberacím v paprscích. Nejčastěji se používají turbomolekulární a kryogenní vývěvy, které musí být schopny zvládnout lokální špičku záření a silná magnetická pole. Podobné obavy platí pro sady primárních čerpadel, měřiče a ventily.

Jedním z klíčových požadavků na vývěvy je schopnost manipulace s tritiem. To znamená, že se upřednostňují kovová těsnění a vývěvy by měly být bez fluoru/halogenů a uhlovodíků. 

V případě magnetického uzavření musí být vývěvy schopny pracovat i v prostředí se silnými magnetickými poli a často je nutné stínění.  Prostor kolem reakčních komor je velmi omezený a odstávky jsou extrémně drahé, takže čerpadla musí mít malý půdorys a musí být vysoce spolehlivá s minimálními požadavky na servis.