Sen o čisté energii z fúzních reaktorů může zabít nedostatek paliva

Termojaderná fúze by se jednou mohla stát nevyčerpatelným zdrojem energie. Jenže chybí palivo. Tritia je na světě jen 25 kilogramů a může dojít ještě před spuštěním první skutečné fúzní elektrárny

Sen o čisté energii z fúzních reaktorů může zabít nedostatek paliva
Termonukleární fúze probíhá přirozeně v jádru Slunce. Palivem je v tomto případě – díky velikosti Slunce a extrémnímu tlaku – obyčejný „lehký“ vodík, v pozemských podmínkách je ovšem daleko výhodnější používat směs „těžkých“ izotopů vodíku – deuteria a tritia. | foto Shutterstock.com

Komerční fúzní reaktor zatím nikdo neviděl a minimálně ještě pár desítek let neuvidí. Jadernou fúzi sice fyzikové teoreticky popsali už před sto lety, jenže cesta k čistému a takřka nevyčerpatelnému zdroji energie je mimořádně složitá a vyžaduje řešení spousty delikátních vědeckých hádanek: jak ohřát vodíkové palivo pomocí obří „mikrovlnky“ na teplotu vyšší, než panuje ve středu Slunce, jak přimět plazmu, aby v supersilném magnetickém poli spořádaně levitovala, jak donutit atomy vodíku, aby se ochotně spojovaly, jak omezit všudypřítomné úniky energie i paliva a nakonec jak dosáhnout toho, že reaktor bude vyrábět více energie, než kolik jí „sežere“.

Něco už se povedlo, a pokud se podaří překonat další překážky, mohl by někdy po roce 2050 začít fungovat první demonstrační fúzní reaktor dodávající elektřinu. Samozřejmě k tomu ale dojít nemusí a příčinou – jak v rozsáhlém článku píše prestižní odborný časopis Science – nemusí být žádná z výše naznačených delikátních hádanek, ale překvapivě banální „inženýrský“ problém – nedostatek paliva. Jaderní fyzikové zabývající se fúzními reaktory si s tím dosud hlavu příliš nelámali, ale pokud nezačnou, mohou se brzy ocitnout v situaci člověka, který kvůli výrobě šicího stroje vynalezl soustruh, frézu, vrtačku a šroubovák, ale pak zjistil, že si nemá kde koupit nit.

25 kilogramů

Princip termojaderné fúze je jednoduchý – lehčí prvky se za obrovské teploty a tlaku slučují v prvky těžší a část hmoty se přitom mění v energii. Slavná Einsteinova rovnice E = mc2 zajišťuje, že je té energie (E) opravdu hodně, protože úbytek hmotnosti (m) se násobí rychlostí světla (c) na druhou.

V našem Slunci se mění vodík na helium, ovšem v pozemských podmínkách je mnohem výhodnější použít coby palivo směs vzácných izotopů vodíku – deuteria a tritia (obyčejný „lehký“ vodík je tvořen jedním protonem, deuterium protonem a neutronem, tritium protonem a dvěma neutrony), které se při dostatečně vysoké „zápalné“ teplotě sloučí do atomu helia a uvolní jeden neutron spolu s obrovským množstvím energie.

S deuteriem potíž není, protože ho obsahuje přibližně každá pětitisící molekula vody a komerčně se prodává po 13 dolarech za gram. S tritiem je to jiné. Přirozeně – ovšem v nepatrném množství – vzniká pouze v horních vrstvách atmosféry působením kosmického záření a jeho jediným komerčním zdrojem je 19 kanadských jaderných reaktorů moderovaných těžkou vodou (CANDU). Gram tritia stojí 30 tisíc dolarů, ale o cenu v tomto případě primárně nejde, horší je, že je ho málo.

Celosvětové zásoby tritia se odhadují na pouhých 25 kilogramů, přičemž se hovoří o tom, že se na konci tohoto desetiletí začnou kvůli prodeji, uzavření části řečených reaktorů a radioaktivnímu rozpadu (tritium je radioaktivní izotop s poločasem rozpadu 12,3 roku) snižovat.

 

Zastánci fúzních reaktorů to za komplikaci dlouho nepovažovali, protože reaktory si mají být schopné tritium po drobné modifikaci samy vyrábět. Stačí obložit stěny reaktoru lithiem, které následně vysokoenergetické neutrony emitované termonukleární reakcí rozštěpí na helium a tritium. To je sice pravda, jenže podle nedávné simulace, kterou provedl tým nukleárního inženýra Mohameda Abdoua z Kalifornské univerzity, nepůjde o tak bohatý zdroj tritia, jak se dosud soudilo.

Velmi tenký polštář

Ze zmíněné simulace plyne, že by fúzní reaktor postavený na současných technologiích mohl v lepším případě vyrobit pouze o 15 procent více tritia, než ho spotřebuje, ale daleko pravděpodobnější je, že půjde jen o pět procent. A to je velmi tenký polštář. Jedním z kritických faktorů je doba, po kterou se reaktor podaří udržet v chodu. Důvod je jednoduchý: když reaktor stojí, tritium se nevyrábí, ale jeho zásoby se dále rozpadají. Reaktor by, jak odhaduje Abdou, musel být v chodu minimálně 50 procent času, jenže ty dnešní se vyznačují častými poruchami a následné odstávky leckdy zaberou měsíce.

Příští pokusné a demonstrační reaktory na tom budou podle Abdoua velmi podobně a budou mít co dělat, aby byly v provozu aspoň pět procent času. Další vážnou komplikací jsou úniky tritia, které prostupuje kovovými stěnami reaktoru a k úspěšnému „útěku“ využije každou mikrotrhlinu.

Nedostatek tritia se může projevit kdykoli. Éra komerčních fúzních reaktorů je ještě relativně hodně vzdálená, ovšem „na suchu“ se můžeme ocitnout mnohem dřív. Jak už víme, tritia není na světě víc než 25 kilogramů, a až někdy kolem roku 2035 začne fungovat mezinárodní pokusný reaktor ITER, „spálí“ ho ročně zhruba kilo. Další reaktory, které chtějí postavit Spojené státy, Jižní Korea a Čína, si navíc ukrojí svůj díl. Prognóza je jasná. Pokud zůstane vše při starém, zbyde okolo roku 2050, kdy by měl ITER ukončit svůj provoz, maximálně pět kilogramů tritia. Podle Gianfranca Federiciho z agentury EUROfusion, která zastřešuje evropský výzkum jaderné syntézy, ovšem tritium nemusí „stačit ani k uspokojení poptávky pro ITER“.

A to už vypadá jako docela slušný problém, protože na ITER by měl plynule navázat první demonstrační reaktor DEMO, který bude – podle střízlivých odhadů – potřebovat ke svému rozjezdu pět až 14 kilogramů tritia.

Aby nechyběla nit

Takto samozřejmě vypadá nejčernější z černých budoucností. Otázka paliva stála zatím na pokraji zájmu a je docela dobře možné, že se v průběhu let nějaké řešení najde. Zatím se ale žádná jednoduchá cesta, jak překonat tritiovou krizi, na obzoru nerýsuje.

Fyzici pracují třeba na snížení množství tritia potřebného pro spuštění reaktoru. Zvýšit asi půjde i výtěžnost fúzních reaktorů při „přidružené“ výrobě tritia, které má vznikat při již zmíněném bombardování lithiových výstelek neutrony. Řešením by mohla být stavba dalších těžkovodních jaderných elektráren, lepší využití těch stávajících (čtyři těžkovodní reaktory má Jižní Korea, ale komerčně tritium neprodává, Rumunsko má dva a plánuje z nich tritium získávat, několik dalších vhodných reaktorů provozují Čína a Indie), popřípadě taková úprava „netěžkovodních“ reaktorů, aby tritium produkovaly.

Dalším zdrojem „mírového“ tritia by se teoreticky mohly stát armády nukleárních zemí, které tritium produkují ve speciálních reaktorech kvůli zvýšení účinnosti vodíkových bomb. Všechno to ale zatím jsou jen málo prozkoumané nápady.

Tritiová krize už přiměla některé hráče v oboru, aby přehodnotili své plány. Například kalifornský startup TAE Technologies chce v reaktorech pálit obyčejný lehký vodík a bor, kdežto jeho konkurent Helion hodlá používat deuterium s heliem-3 (vzácný izotop helia). Obě alternativní cesty ovšem mají své – docela podstatné – mouchy. Zatímco první přístup vyžaduje, aby se plazma zahřála na miliardu stupňů Celsia (směs deuteria a tritia se spokojí „jen“ se 150 miliony), druhý může narazit na okolnost, že helium-3 je stejně špatně dostupné jako tritium.

Jak hon za tritiem dopadne, nelze zatím ani odhadnout. Každopádně by byla škoda, kdyby kvůli tomuto banálnímu „inženýrskému“ opomenutí chyběla fúzním reaktorům „nit“.