Úsvit hybridů

Svět zažívá renesanci jaderné energetiky. 440 reaktorů operujících v 31 zemích světa pokrývá okolo patnácti procent světové spotřeby elektrické energie. Bohužel také ročně vyprodukuje 12 000 tun radioaktivního odpadu. Toto číslo má brzy vzrůst, protože jen Čína plánuje v příštích dvou desetiletích postavit 40 až 50 nových reaktorů a USA chtějí ke svým 104 jaderným elektrárnám připojit dalších 26. Nad jaderným odpadem se tak stále důrazněji ozývá nerudovská otázka Kam s ním?

Co oko nevidí
Nejjednodušším způsobem, jak naložit s radioaktivním odpadem, je uložit ho pod zem. V bezpečí horského masivu bude izolován od životního prostředí na nezbytné tisíce let, než jeho radioaktivita poklesne pod nebezpečnou úroveň. Ještě před tím je možné snížit objem ukládaného odpadu na polovinu až třetinu přepracováním. Stejně však zbývá několik tisíc tun ročně, o které je třeba se nějak postarat. Budování definitivního úložiště je velmi citlivé téma, které často naráží na odpor veřejnosti a podléhá změnám politických nálad. Jednou schválený projekt může být po výměně vládnoucích stran zavržen a zrušen, což je například osud, který potkal americké úložiště Yucca Mountain.

Odkud se bere?
V jaderném reaktoru se energie získává štěpením jader uranu 235 nebo plutonia 239. Vzniká dvojice lehčích jader, spousta energie a dva až tři neutrony. Ty narazí do dalších jader, rozštěpí je a tak pokračuje řetězová reakce. Čerstvé palivo obsahuje dostatek štěpitelného materiálu a tedy dost vhodných cílů pro neutrony. Jak reakce pokračuje, stále častěji se neutronům do cesty připletou jádra štěpných produktů, která neutron pohltí, případně se jím nechají rozbít, ale žádné další neutrony, které by udržovaly štěpnou reakci, už neprodukují. Jakmile už reakce sama od sebe neběží, z paliva se stává odpad, přestože obsahuje ještě spoustu štěpitelného materiálu. Kdyby byl k dispozici externí zdroj neutronů, veškerý štěpitelný materiál by vyhořel a nebylo by jej třeba draze a energeticky náročně přepracovávat. Navíc by neutrony „rozstřílely“ velkou část radioaktivních štěpných produktů na krátkoaktivní nebo dokonce neaktivní jádra, čímž by se otázka radioaktivního odpadu v podstatě vyřešila už v reaktoru. Zbývá tedy nalézt pouze silný zdroj neutronů.

Energie hvězd
Kromě energie štěpení atomů existuje ještě jedna jaderná energie, uvolňovaná slučováním lehkých jader – fúze. Již padesát let se ji vědci snaží ovládnout a jejich snahy stále nebyly korunovány úspěchem. Nejdelší fúzní reakce, předvedená anglickým tokamakem JET roku 1997, trvala jen pár sekund. Vyrobila kolem 60 procent energie, které bylo třeba na její zapálení. Nové výzkumné zařízení ITER, které právě vyrůstá ve francouzském Cadarache, by už mělo vrátit desetkrát více energie, než kolik do něj bude muset být vloženo. Je to pokrok, ale na komerční elektrárnu je to stále málo. Ovšem fúze, tak jak ji zvládáme dnes a tak jak ji bude provádět ITER, produkuje jednu velmi důležitou věc: neutrony.

Papírový hybrid
Myšlenka obalit fúzní reaktor štěpným materiálem není nijak nová, vědci si s ní pohrávají již desítky let od okamžiku, kdy se s výzkumem fúze začalo. Fúzní reaktor by produkoval neutrony, které by štěpily jaderný materiál, a teprve energie štěpení by byla používána k výrobě elektřiny. Tyto hybridní reaktory však zřídkakdy opustily říši snů natolik, aby se ocitly alespoň na papíře. Dlouhou dobu se nevědělo, jak na to. Technologie fúzního reaktoru nebyla ani zdaleka vyřešena a spojení nestabilního plazmatu s nebezpečným radioaktivním materiálem vyvolávalo obavy o bezpečnost takového zařízení. Nyní technologie trochu pokročila a hlavně se otázka likvidace jaderného odpadu stává ještě aktuálnější.

ITER stačí
Weston Stacey, profesor na Georgia Institute of Technology v Atlantě, se vývojem hybridu zabývá již deset let. Říká, že technologie, kterou bude používat ITER, je sice pro výrobu elektřiny nedostatečná, ale neutronový tok naprosto vyhovuje potřebám hybridního reaktoru. Nižší výkon fúzního zařízení by mohl znamenat, že bude operovat s plazmatem, které je stabilnější a méně náchylné k disrupcím. Právě zvládání nestabilit plazmatického sloupce je jednou z překážek, které stojí před komerční fúzní elektrárnou. Ovšem stále platí, že nejprve bude třeba postavit a odladit ITER a pak tutéž technologii obalit štěpným materiálem. Je to velká inženýrská výzva.

Super-X
ITER se svými 19 metry na šířku a 11 metry výšky rozhodně není žádný drobeček. Množství štěpného materiálu, které by obalovalo takovouto komoru, by rovněž nebylo zrovna malé. Navíc jsou zde vědci, kteří tvrdí, že s ITERem by hybrid tak úplně nefungoval. Energie generovaná z jednotky objemu štěpného reaktoru je totiž asi pětkrát větší než z jednotky objemu ITERu a pro potřeby hybridu by měla být srovnatelná. Vědecký tým z University of Texas v Austinu pod vedením Swadeshe Mahajany proto vyvíjí zařízení menší a kompaktnější. Jedním z nejdůležitějších problémů, které řeší, je takzvaný divertor. Je to část komory, ke které směřují magnetické siločáry držící plazma a která odvádí část tepelného výkonu. Možný výkon fúzního reaktoru přitom omezuje právě to, kolik divertor vydrží. Mahajanova skupina proto vytváří Super-X Divertor. Pohrává si s magnetickým polem, které vede plazma k divertoru po delší trase, takže plyn stihne trochu ochladnout. Lepší divertor by umožnil na srovnatelném objemu provozovat podstatně výkonnější zařízení.

Fúzní reaktor do kapsy
Kdyby se podařilo vytvořit fúzní reaktor dostatečně malý, aby se dal vyzdvihnout jeřábem, odpadl by podle slov Swadeshe Mahajany další problém fúzní fyziky, a to výběr materiálu na takzvanou first wall, neboli vnitřní stěnu fúzní komory. Ta musí snášet obrovské teploty a neutronové toky a současně její životnost omezuje životnost celého zařízení. V případě malého kompaktního zdroje, který by se spolu se štěpným palivem měnil jednou za dva roky, by si nebylo třeba s volbou materiálu tolik lámat hlavu. Navíc by tento postup urychlil výzkum a vývoj nových materiálů pro velkou fúzní elektrárnu produkující elektrický proud. Vyměnitelný neutronový zdroj by znamenal ještě jednu výhodu. Štěpný materiál by se ocitl až za toroidálními magnetickými cívkami, které jako klec vězní plazma a které by tedy spolehlivě ochránily jaderné palivo „před jakoukoliv hloupostí, kterou by plazma chtělo udělat“.

Vzhledem k boji s klimatickými změnami a tenčícím se zásobám fosilních paliv se stávají jaderné elektrárny nenahraditelné a je nezbytné, aby se řešila otázka likvidace jejich radioaktivního odpadu. Fúzně-štěpné hybridy by mohly nabízet odpověď a proto je podle Mahajany třeba okamžitě začít s jejich stavbou a vývojem.