Hirošima a Nagasaki, černobylská havárie, napětí studené války - tísnivé vzpomínky vedly k tomu, že energie skrytá v atomových jádrech je na počátku nového tisíciletí viditelně nepopulární. Jaderná fyzika má však ještě jeden trumf v rukávu - řízenou termojadernou fúzi.
Hirošima a Nagasaki, černobylská havárie, napětí studené války - tísnivé vzpomínky vedly k tomu, že energie skrytá v atomových jádrech je na počátku nového tisíciletí viditelně nepopulární. Jaderná fyzika má však ještě jeden trumf v rukávu - řízenou termojadernou fúzi.
Atom se skládá z elektronového obalu a malinkatého, kladně nabitého jádra. (Je přibližně stotisíckrát menší než atom.) Jádro je složeno z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů. Tyto částice jsou vázány tzv. silnými jadernými silami, které mají ohromnou velikost, ale působí jen na nepatrnou vzdálenost.
PROČ SE JÁDRA SPOJUJÍ?
Záhy po objevu struktury atomového jádra se přišlo na to, že protony a
Zaujímat stav o co nejmenší energii je přirozenou snahou všech objektů ve vesmíru. Představme si člověka stojícího na Nuselském mostě. Je poměrně vysoko, a jeho energie je proto vyšší, než kdyby ležel rozpláclý pod mostem. Vykročí-li do prázdna, v souladu s přírodními zákony se zřítí dolů, čímž se energie zbaví - předá ji okolí. Člověka ležícího pod mostem to naopak samo od sebe na most nevystřelí. S atomovými jádry se to má úplně stejně - snaží se mít co nejnižší energii. Pokud rozštěpíme velké jádro (např. uran) na dvě jádra menší, do okolí se uvolní energie. Ještě daleko více energie se uvolní, pokud se nám podaří přimět dvě malá jádra (třeba jádra vodíku) ke spojení v jádro střední velikosti. V takovém případě mluvíme o jaderné fúzi. Proč ale, když je to tak výhodné, nedochází k samovolnému jadernému štěpení a jaderné fúzi? Proč se třeba nezačnou spojovat jádra vodíku v mořské vodě za uvolnění ohromné energie? Pomůžeme si opět naším Nuselského mostu. Viděli
jsme, že spadnout dolů je přirozené a energeticky výhodné. Člověk však musí přelézt zábradlí nebo ho musí někdo pošťouchnout. Fyzik by řekl, že je třeba překonat aktivační bariéru. Pokud k sobě přiblížíme dvě jádra, začnou se silně odpuzovat - obě totiž mají kladný náboj. Teprve když toto odpuzování překonáme, začnou působit přitažlivé jaderné síly. Vynaložená energie se mnohonásobně vrátí, leč "počáteční investice" je mimořádná; čelíme gigantické aktivační bariéře.
ŘÍZENĚ I VÝBUCHEM
Energii z hmoty můžeme uvolňovat postupně a řízeně - jako u táborového ohně nebo v elektrárně. Můžeme ji také uvolnit naráz, třeba ve formě rachejtle. Zatímco energii ze štěpících se jader se lidé naučili uvolňovat jak řízeně (v jaderných elektrárnách), tak ve formě výbuchu (atomová bomba), energie z jaderné fúze byla zatím uvolněna jen explozivně (vodíková puma). Jaderná fúze coby energetický zdroj je při tom z každého pohledu výhodnější než do savadní energetické zdroje. Palivo je všu dypřítomné a prakticky nevyčerpatelné, výtěžnost ohromná a na rozdíl od jaderných elektráren jaderná fúze nevede k radioak tivnímu ani jinak toxickému odpadu. Ani přes více než padesátiletou snahu se však dosud fúzní reaktor, tedy zařízení, které by postupně a řízeně uvolňovalo energii spojo váním jader, zkonstruovat nepodařilo.
KDE JE ZAKOPÁN PES
Jak jsme si vysvětlili, k zažehnutí fúzní reakce musíme dodat ohromnou energii, třeba ve formě tepla (mluvíme potom o termonukleární reakci). Teplota odpovídající této energii je stovky milionů stupňů Celsia. To je do třeba na Slunci. Ke spojování jader tam skutečně dochází a je to právě tato reakce, která Slunce ohřívá. Ale jak takovou teplotu dosáhnout a aspoň chvíli udržet na Zemi?
HRNEC Z MAGNETICKÉHO POLE
Pokud si chcete uvařit polévku, ohřejete vodu v hrnci. Ale při stamilionových teplotách bude každý hrnec, ať je z jakéhokoli materiálu, dávno v plynném stavu. Přesněji ve stavu tzv. plazmatu: při této teplotě se elektrony neudrží u atomových jader a hmota je tak směsí atomových jader a volných elektronů. Plazma však skýtá naději. Atomová jádra a elektrony jsou nabité částice. A je-li částice nabitá, můžeme její pohyb ovlivnit magnetickým polem, které může pro naše horké plazma vytvářet virtuální hrnec! Spoutání horkého plazmatu pomocí magnetického pole je základem celé řady technologií, nejznámější z nich je sovětská konstrukce zvaná TOKAMAK.
ENERGIE Z TOKAMAKU
V magnetickém hrnci, v tokamaku, je možné zahřát plazmu na ohromnou teplotu, a dokonce přinutit jádra, aby se začala spojovat. Tím se začne uvolňovat ohromná energie, která by v principu mohla sloužit k udržení vysoké teploty plazmatu. Podobně jako když zapalujete vlhká polena. Dá vám to trochu práce, ale potom nejen že hořící dřevo zapálí další polena, ale navíc i hřeje. Zatím se však v žádném tokamaku jaderný plamen zažehnout nepodařilo. Z pohledu energetika není zapálení termonukleárního plamene nezbytností. Stačilo by, aby v reaktoru proběhla reakce, která by okolí dodala více energie, než se vložilo do ohřevu jaderného paliva. I na takovýto reaktor, v němž by palivo spíše doutnalo než hořelo, se stále ještě čeká. Konstrukce termonukleárního reaktoru vyžaduje rozsáhlou mezinárodní spolupráci, jakou představuje kupříkladu projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).
Jeho historie se začala psát už v roce 1986, kdy se na spolupráci dohodly tehdejší SSSR, EU, USA a Japonsko. V průběhu let se okruh zúčastněných států značně měnil, v současnosti jsou to EU, Japonsko, USA, Čína, Jižní Korea a Rusko. Původní záměr - zažehnout termonukleární plamen - musel být z finančních důvodů přehodnocen. Cílem je nyní vytvořit reaktor na bázi tokamaku, který by dodával více energie, než je mu třeba dodat k ohřevu horkého plazmatu. Reaktor by měl být tvořen tokamakem o poloměru 6 m, což je dvojnásobek doposud největších tokamaků. ITER s náklady 5 miliard dolarů je mimořádně nákladný experiment. Jde přitom o velmi nejistý a časově náročný projekt, všechny zúčastněné země proto peníze uvolňují s nejvyšší obezřetností. Pokud vše půjde hladce, reaktor by měl být postaven v roce 2014 a první komerční fúzní reaktor se dá očekávat v roce 2050.
VZNÍCENÍ ATMOSFÉRY A OCEÁNŮ
Při počátečních experimentech s jadernou fúzí si fyzikové kladli otázku: nehrajeme si se zápalkami na sudu s benzinem? Zásoby fúzního paliva jsou totiž všude kolem nás. Zažehneme-li fúzní plamen, nevzplane atmosféra a oceány? Již lehce detailnější úvahy ale ukazují, že k něčemu takovému nemůže dojít, což bylo s konečnou platností potvrzeno sérií jaderných zkoušek v padesátých letech.
