Miesto ropy voda

Klasické zdroje energie pomaly končia, obnoviteľné zatiaľ nie sú schopné plynulo pokryť celú spotrebu energie. Treba nájsť nový, spoľahlivý, ekonomicky výhodný zdroj, navyše ešte neohrozujúci životné prostredie... Bude ním vodík?

Jedným z výkonných a stabilných zdrojov energie sú v súčasnosti jadrové elektrárne. Pracujú na princípe štiepenia rádioaktívneho uránu, keď sa počas štiepnej reakcie uvoľňuje energia. A čo opačný proces? Zlučovanie, fúzia prvkov atómu, pri ktorom by tiež vznikala energia? Cieľom výskumu a vývoja riadeného termojadrového zlučovania je napodobniť v pozemských podmienkach energetický proces prebiehajúci na Slnku a využiť ho v prospech ľudstva. V pozemských podmienkach však nemôže prebiehať reakcia samovoľne ako na hviezdach, kde to umožňujú neporovnateľne väčšie rozmery prírodného hviezd­neho „reaktora" (a teda aj omnoho lepšie udržanie energie) a omnoho vyššia hustota hmoty v ňom. V pozemskom reaktore musí človek podmienky reakcie oveľa lepšie „vyladiť", keďže hodnoty oboch týchto základných parametrov určujúcich pravdepodobnosť zlučovacej reakcie budú rádovo oveľa menšie.
Vedci a inžinieri už na tejto ceste počas uplynulých 50 rokov dosiahli značný úspech. Teplotu, ktorá je v strede Slnka, prekonali desaťnásobne, aj keď zatiaľ iba na pár sekúnd. Zdá sa, že ľudstvo stojí blízko uskutočnenia tohto cieľa.

Fúzie a štiepenie
Jadrovú energiu môžeme získať dvoma spôsobmi: štiepením, čo je proces rozpadu jadier ťažkých atómov na atómy ľahšie, a fúziou, pri ktorej sa naopak dve jadrá ľahkých atómov spoja. K uvoľňovaniu energie prichádza pri štiepení aj pri fúzii premenou hmoty m na energiu E podľa zákona E = mc2, kde c = 3 × 108 m/s je rýchlosť svetla vo vákuu.
Jadrové štiepenie je proces, ktorý môže pri niektorých prvkoch, napríklad uráne, prebiehať pri normálnej teplote, a to celkom samostatne reťazovou reakciou. Jadrový reaktor využíva tieto reakcie prebiehajúce v zásobníku obsahujúcom palivo na mnoho rokov horenia. Prevádzka reaktora si vyžaduje mimoriadne bezpečnostné opatrenia pred únikom radiácie či rádioaktívneho materiálu. Po vyhorení paliva sú produkty štiepenia silne rádioaktívne ešte po tisícročia a vznikajú tak vážne problémy s ich dlhodobým a najmä bezpečným uložením.
Jadrová fúzia je oproti tomu v pozemských podmienkach veľmi ťažko uskutočniteľný proces. V pozemských podmienkach môže najľahšie prebiehať zlučovacia reakcia medzi dvoma jadrami dvoch ťažších foriem vodíka, deutéria D a trícia T, ktoré získame z obyčajnej vody. Tieto takzvané ťažké formy (izotopy) atómu vodíka sa od obyčajného vodíka, ktorého jadro tvorí len jediný protón, líši prítomnosťou neutrónu v jadre. Jadro deutéria obsahuje okrem protónu ešte jeden neutrón, jadro trícia dokonca dva neutróny. Na to, aby sa obe kladne nabité atómové jadrá priblížili dostatočne blízko (to je potrebné na prekonanie vzájomnej odpudivej elektrickej sily pôsobiacej medzi nimi) a mohla sa tak uplatniť príťažlivá sila pôsobiaca len na veľmi malú vzdialenosť, je potrebné vytvoriť špeciálne podmienky podobné tým na hviezdach. Teplota musí dosiahnuť niekoľko miliónov stupňov Celzia. Takúto teplotu neznesie žiaden materiál, preto musí byť „horiace" palivo oddelené od stien zariadenia vákuom. Látky pri týchto teplotách sú už v stave plazmy, preto je možné na ich izoláciu použiť magnetické pole, ktoré udrží palivo v bezpečnej vzdialenosti od stien. Aby sa fúzna reakcia udržala, musí byť hustota atómov v reaktore pomerne veľká, o čo sa stará silné magnetické pole. Je zrejmé, že akákoľvek najmenšia porucha v ňom povedie k rýchlemu ochladeniu paliva, a tým aj k okamžitému ukončeniu zlučovacej reakcie. To je dôležitý rozdiel od štiepnych reakcií, pretože pri fúznych reaktoroch je akýkoľvek výbuch vylúčený (hovorí sa o inherentnej alebo vlastnej bezpečnosti reaktora). Okrem toho pri takejto vysokej teplote môže byť v reaktore len niekoľko gramov paliva a bez dodávky ďalšieho paliva by palivo nachádzajúce sa v reaktore za niekoľko desiatok sekúnd celkom „vyhorelo" a celý proces termojadrového zlučovania by sa tým samovoľne skončil. Fúzny reaktor bude akýmsi horákom, do ktorého musí neustále plynúť nové palivo a ktorý sa pri najmenšej poruche automaticky odstaví. A čo je nezanedbateľné, priamym produktom reakcie bude nerádioaktívne, celkom neškodné hélium.
Na využiteľnosť riadeného zlučovania je potrebné splniť dve podmienky: zahriať palivo nachádzajúce sa vo forme plazmy na teplotu 200 miliónov stupňov a splniť Lawsonovo kritérium. Zatiaľ čo prvá podmienka je jednoznačná, druhá podmienka (Lawsonovo kritérium) vedie k veľkej voľnosti výberu hustoty plazmy a doby udržania jeho energie. Z tejto voľnosti vyplývajú dva hlavné smery možného dosiahnutia fúzie: metódy magnetickej fúzie - za pomoci silných magnetických polí natiahnuť čas na udržania energie plazmy s nízkou hustotou, a to v trvalom režime prevádzky. Druhou možnosťou je použiť plazmu s takou vysokou hustotou, že reakcia prebehne skôr, ako sa stačí expandujúca hmota rozletieť.

Nevyčerpateľný zdroj energie
Fúzia sa teda môže stať v horizonte niekoľkých budúcich desaťročí nevyčerpateľným, ekologicky prijateľným a aj ekonomicky životaschopným zdrojom energie. Tento zdroj bude vhodný predovšetkým na výrobu elektrickej energie. Jej dostatok by potom elektrolýzou vody umožnil „skladovať" energiu vo forme kvapalného vodíka, čím by bol vyriešený aj problém nerovnomernej potreby energie počas dennej a ročnej doby. Navyše prechodom na takéto ekologicky celkom čisté vodíkové hospodárstvo (spaľovaním vodíka vzniká len vodná para) by celkom odpadla potreba spaľovania fosílnych palív (ako v elektrárňach, tak aj pri motorových vozidlách) a zvyšné zásoby týchto pa­lív by boli použiteľné ako cenná surovina pre potreby chemického priemyslu.

Spracované podľa časopisu Energetika 2/2009