Skip to main content

Ekologická jadrová energia - bezneutrónová fúzia (časť I.)

  • strict warning: Non-static method view::load() should not be called statically in /data/webroot/sk.boinc.www/sites/all/modules/views/views.module on line 906.
  • strict warning: Declaration of views_handler_filter::options_validate() should be compatible with views_handler::options_validate($form, &$form_state) in /data/webroot/sk.boinc.www/sites/all/modules/views/handlers/views_handler_filter.inc on line 0.
  • strict warning: Declaration of views_handler_filter::options_submit() should be compatible with views_handler::options_submit($form, &$form_state) in /data/webroot/sk.boinc.www/sites/all/modules/views/handlers/views_handler_filter.inc on line 0.
  • strict warning: Declaration of views_plugin_row::options_validate() should be compatible with views_plugin::options_validate(&$form, &$form_state) in /data/webroot/sk.boinc.www/sites/all/modules/views/plugins/views_plugin_row.inc on line 0.
  • strict warning: Declaration of views_plugin_row::options_submit() should be compatible with views_plugin::options_submit(&$form, &$form_state) in /data/webroot/sk.boinc.www/sites/all/modules/views/plugins/views_plugin_row.inc on line 0.
  • strict warning: Non-static method view::load() should not be called statically in /data/webroot/sk.boinc.www/sites/all/modules/views/views.module on line 906.
  • strict warning: Declaration of views_handler_filter_boolean_operator::value_validate() should be compatible with views_handler_filter::value_validate($form, &$form_state) in /data/webroot/sk.boinc.www/sites/all/modules/views/handlers/views_handler_filter_boolean_operator.inc on line 0.
  • strict warning: Declaration of views_plugin_style_default::options() should be compatible with views_object::options() in /data/webroot/sk.boinc.www/sites/all/modules/views/plugins/views_plugin_style_default.inc on line 0.
Kategórie:

Jadrová fúzia je spolu s orbitálnymi slnečnými elektrárňami jednou z najperspektívnejších možností výrazného posunu ľudskej civilizácie na energetickej škále a prevencie jej degenerácie prejavujúcej sa i čoraz frekventovanejšími energiou motivovanými konfliktmi. Primárnou asociáciou pojmu "jadrová energia" je však opodstatnený a závažný problém rádioaktívneho odpadu. Napriek tomu, že vlajková loď výskumu a vývoja v jadrovej oblasti - projekt ITER založený na tzv. tokamakovom type fúzneho reaktora - bude v prípade úspešného dokončenia produkovať v porovnaní s dnešnými štiepnymi reaktormi mnohonásobne menej nebezpečný odpad, problém s odpadom nevyrieši úplne. Málo známou skutočnosťou však je, že existujú aj ďalšie, radikálne odlišné koncepty jadrovej fúzie, ktoré majú oproti tokamakom niekoľko predností, a ktoré zaznamenali v priebehu posledných rokov značný pokrok. Tieto koncepty majú na základe aktuálnych experimentálnych výsledkov na rozdiel od tokamakov potenciál umožniť využívať na produkciu energie aj tzv. bezneutrónovú fúziu. V prípade potvrdenia ich realizovateľnosti to bude znamenať zníženie množstva rádioaktívneho odpadu na extrémne nízku úroveň, navyše s výrazne menšími, jednoduchšími a menej nákladnými reaktormi. V tomto dvojdielnom článku sa budeme venovať viacerým najsľubnejšie sa vyvíjajúcim vedecky seriózne podloženým projektom, ktoré by ľudstvu takýto signifikantný pokrok mohli umožniť, doplňujúc celistvosť informácií popisom environmentálnych predností bezneutrónovej fúzie.

Úvod

Dlhodobé riešenie energetického rozvoja je jednou z najdôležitejších mét, ktorú môže v evolúcii ľudstvo (a akákoľvek inteligentná forma života) dosiahnuť. Problematika perspektívneho kandidáta - jadrovej fúzie - nepatrí medzi triviálne, a zároveň dianie v tejto oblasti je v poslednom období živšie než by človek na základe každodenných informácií očakával. Týmto trom faktom bol prispôsobený aj rozsah tohto článku. Jeho cieľom je poskytnúť prehľad aktuálneho nie-mainstreamového diania a pozrieť sa na problematiku bez toho, aby bolo vygenerovaných viac otázok než odpovedí. Snaží sa neuvrhnúť čitateľa do stavu, kedy sa bez preštudovania zdrojov či referencií nedozvie o dôležitých aspektoch, či nebude viacerým popisovaným faktom rozumieť. To si vyžaduje istú minimálnu hĺbku informácií na zabezpečenie komplexnosti.

Článok je preto rozdelený na dve časti - v prvej časti sa okrem popisu a definície bezneutrónovej fúzie nachádzajú i podrobnejšie informácie o jej environmentálnych výhodách porovnaných s viacerými súčasnými či plánovanými jadrovými konceptmi. Druhá časť je venovaná konkrétnym najperspektívnejším experimentom, v dosahu ktorých by sa uskutočnenie bezneutrónovej fúzie podľa súčasných poznatkov mohlo nachádzať, a popisu spôsobov riešenia možných komplikácií a prekážok, ktorým ich technologický vývoj musí čeliť.

Jadrová fúzia

Jadrová fúzia je z hľadiska energetickej efektívnosti po anihilácii (čiže čistej premene hmoty na energiu) a zatiaľ čisto teoretickom Penrosovom procese extrakcie energie rotujúcej čiernej diery treťou najvýhodnejšou formou produkcie energie. Vývoj tokamakov (reprezentovaný dnes predovšetkým projektom ITER) sa po desaťročiach náročného výskumu blíži k dosiahnutiu ekonomicky rentabilného využitia tohto vo hviezdach prebiehajúceho prírodného procesu (i keď zatiaľ stále nie je s istotou zaručená jeho úspešnosť). Ich prednosti v porovnaní s klasickou štiepnou jadrovou energiou budú enormné - okrem dostupnosti paliva je to predovšetkým absencia produkcie rádioaktívneho odpadu s dlhým polčasom rozpadu. Budú však produkovať rádioaktívny odpad s krátkym a stredne dlhým polčasom rozpadu (malé množstvá uniknutého trícia a najmä indukovanú radiáciu z neutrónmi aktivovaných konštrukčných prvkov reaktora). Preto sa prirodzene núka otázka - nie je možné nájsť spôsob ako množstvo a polčas rozpadu rádioaktívneho odpadu ešte viac znížiť? Odpoveď je veľmi povzbudivá - možné to je, pretože príroda ponúka procesy fúzie s takmer úplnou elimináciou rádioaktívneho odpadu. Tieto procesy sú náročnejšie na fyzikálne podmienky, a teoretické práce najmä z 90-tych rokov 20. storočia poukazovali na mnohé závažné technologické problémy, ktoré pri snahe o ich využitie bude potrebné prekonať. Avšak experimenty a pokroky v technológiách predovšetkým z posledných rokov viaceré prekážky prekonali, a pre ďalšie ukázali cestu, ktorou sa im s vysokou pravdepodobnosťou bude možné vyhnúť. V súčasnosti existuje viacero dobrých dôvodov domnievať sa, že bezneutrónová fúzia nemusí byť technologicky vzdialenejšia než klasická fúzia plánovaná pre ITER.

Pri snahe o produkciu elektrickej energie z jadrovej fúzie je potrebné rozlišovať dve roviny problému - prvou je vhodný druh fúznej reakcie, keďže energia sa vo všeobecnosti uvoľňuje pri fúzii rôznych atómových jadier ak sú spájané jadrá ľahšie než izotop železa 56Fe (resp. niklu 62Ni). Druhou rovinou je technologický spôsob dosiahnutia energie potrebnej na prekonanie odpudivých elektromagnetických síl medzi spájanými jadrami, keďže elektromagnetická interakcia je síce slabšia ako jadrová, ale má dlhší dosah (dve kladne nabité jadrá sa teda spočiatku intenzívne odpudzujú, až kým sa táto bariéra neprekoná a príťažlivá silná interakcia dané jadrá nespojí).

Typ reaktora

Myšlienka technologického využitia jadrovej fúzie ako zdroja elektrickej energie sa prirodzene objavila prakticky ihneď po objavení tohto prírodného procesu. Na rozdiel od štiepnych reaktorov sa však spútanie fúznej reakcie ukázalo byť podstatne technologicky náročnejšie. Po počiatočnom optimizme s malými zariadeniami prišlo sklamanie - stabilnú riadenú jadrovú fúziu sa nepodarilo dosiahnuť. Úspech dosiahli až sovietski vedci, ktorí vyvinuli tzv. tokamak, nový princíp fúzneho reaktora, ktorý riadenú fúziu obmedzeného rozsahu dosiahol, a ktorý dodnes predstavuje hlavný smer vývoja a výskumu, vrátane spomínaného projektu ITER. Tokamak využiteľný pre rentabilnú produkciu energie je však zariadenie veľmi masívne a teda nákladné, a navyše nie je vhodný na uskutočnenie niektorých veľmi výhodných typov fúznych reakcií. O alternatívnych typoch reaktorov si povieme viac v druhej časti článku.

Typ fúznej reakcie

Najjednoduchšie dosiahnuteľným a energeticky výhodným typom reakcie je fúzia deutéria (D, prirodzene sa vyskytujúci nerádioaktívny izotop vodíka obsahujúci jeden neutrón) s tríciom (T, rádioaktívny izotop vodíka s dvoma neutrónmi), pričom vzniká hélium, neutrón a energia. Druhou relatívne málo náročnou reakciou je fúzia dvoch jadier deutéria. Tieto základné reakcie však majú z praktického hľadiska jeden handicap - väčšina energie z nich uvoľnených (vrátane ich sekundárnych reakcií) je uvoľnená vo forme neutrónov. Tie sú, ako už z názvu vyplýva, elektricky neutrálne a teda ich energiu môžeme prakticky extrahovať len konverziou na tepelnú energiu a následným "primitívnym" parným generátorom (podobne ako je to vo všetkých fosílnych či dnešných atómových elektrárňach, a bude to tak aj v prípade fúzneho reaktora ITER). Pri takejto konverzii však nastávajú pomerne veľké straty. Druhým negatívom neutrónov je poškodzovanie materiálu reaktora a súvisiace indukovanie rádioaktivity v konštrukcii reaktora (interakciou neutrónov s nerádioaktívnymi jadrami vzniknú jadrá rádioaktívne), vďaka čomu je nutné jadro reaktorov po čase vymieňať a likvidovať ako nepriamy rádioaktívny odpad. Aj keď vďaka relatívne krátkemu polčasu rozpadu ide o mnohonásobne menej nebezpečný odpad než v prípade štiepnych jadrových reaktorov (pričom v budúcnosti sa vďaka vývoju nových materiálov odolnejších voči indukcii rádioaktivity bude dať ešte výrazne zredukovať), predstavuje to  najdôležitejšie negatívum využitia tohto typu reakcií. Je preto užitočné vedieť, že príroda nám ponúka ešte ekologickejšiu možnosť - bezneutrónovú fúziu.

Bezneutrónová fúzia

Pojem "bezneutrónová fúzia" je definovaný ako typ fúzie, pri ktorom sa vo forme neutrónov uvoľňuje menej než jedno percento energie. Najvýhodnejším reprezentantom tejto skupiny reakcií je fúzia protónu s bórom 11. Ostatné typy buď produkujú nezanedbateľné množstvo neutrónov zo svojich sekundárnych reakcií (napr. fúzia D-3He, D-6Li či p-9B), alebo neponúkajú dostatočnú intenzitu reakcie (vedecky povedané ponúkajú menší účinný prierez - napr. p-7Li či p-6Li), prípadne na Zemi pre ne nie je dostatok paliva (to sa týka inak sľubnej fúzie dvoch jadier 3He, kde sa však palivo nachádza v malom množstve len na povrchu Mesiaca či v atmosfére plynných planét, takže rentabilná sa môže stať len v prípade masívneho nízkonákladového prístupu do kozmu). Práve možnostiam protón-bórovej fúzie sa preto bude náš článok venovať. [poznámka - ľavý horný index pri chemickom symbole prvku v jadrovej fyzike označuje počet nukleónov, teda súčet protónov a neutrónov, v jeho jadre]

Pri ďalších nevymenovaných typoch reakcií nevýhody či prírodnými zákonmi dané neefektivity vysoko prevládajú nad výhodami a preto prinajmenšom v dohľadnom časovom horizonte nemajú praktické uplatnenie.

Fúzia protónu s bórom 11 

Táto reakcia nie je žiadnou vedeckou novinkou - jadrové reakcie, pri ktorých nevznikajú žiadne neutróny, sú známe dlhú dobu - avšak až donedávna bola považovaná za technologicky neuskutočniteľnú. Hlavným dôvodom bola vysoká teplota/energia potrebná na jej uskutočnenie, ktorá je približne desaťkrát vyššia než teplota potrebná pre fúziu deutéria s tríciom, konkrétne optimálna hodnota dosahuje až niekoľko miliárd Kelvinov (či - použijúc laickú stupnicu - prakticky totožná hodnota v stupňoch Celzia). Tokamak uskutočňuje fúziu pomocou termonukleárnych reakcií, kde je plazma zahrievaná a udržiavaná v tepelnej rovnováhe. Dosiahnutie veľmi vysokých rýchlostí častíc potrebných pre p-11B fúziu by znamenalo ohromné nároky na udržanie plazmy s veľmi vysokou teplotou. Druhou prekážkou bolo výrazne nižšie množstvo energie uvoľnenej z jednotkového objemu v jednotkovom čase v porovnaní s D-T fúziou, vyžadujúc vyššiu hustotu plazmy počas reakcie. Ďalšou - a najdôležitejšou - prekážkou bolo tzv. brzdné žiarenie (podrobnejšie vysvetlenie tohto pojmu sa nachádza v druhej časti článku), ktoré je v tepelne rovnovážnej plazme pre p-11B fúziu podľa teoretických výpočtov väčšie než uvoľnená energia.

Uskutočniť bezneutrónovú fúziu v tokamaku je teda ak nie nereálne, tak prinajmenšom veľmi neefektívne a problematické. Bez použitia úplne odlišného princípu je preto využitie bezneutrónovej fúzie skutočne nepravdepodobné. Avšak výskum predovšetkým v posledných rokoch práve v oblasti netokamakových konceptov dosiahol výrazné pokroky a ponúka možné riešenia všetkých uvedených problémov. Na základe najnovšieho vývoja sa niektoré odlišné koncepty javia nielen ako alternatívny prístup k uskutočneniu fúzie deutéria s tríciom, ale predovšetkým ako praktická a pritom v porovnaní s tokamakmi jednoduchšia možnosť využitia bezneutrónovej fúzie.

Po ozrejmení dôvodov na nedávny pesimizmus si už ale uveďme čo sa pri danej reakcii konkrétne odohráva:

p + 11B  →  3 4He + 8.7 MeV

 

Obrázok: Schematické znázornenie najvhodnejšej bezneutrónovej fúznej reakcie. Protón s dostatočnou energiou sa zlúči s jadrom bóru 11, pričom vznikne jadro uhlíka 12. Vďaka veľkému prebytku energie sa toto inak stabilné jadro ihneď rozpadá na jadro hélia (čiže alfa časticu) a nestabilné jadro Berýlia 8, ktoré sa zas takmer okamžite (s polčasom rozpadu 7x10-17 sekundy) rozpadne na ďalšie dve jadrá hélia. Výsledkom reakcie je teda prakticky okamžitá produkcia troch stabilných jadier hélia, ktoré odnášajú uvoľnenú energiu vo forme ich kinetickej energie. Alfa častice nespôsobujú radiačné problémy tak ako v prípade neutrónov uvoľnených pri klasickej fúzii deutéria s tríciom, keďže alfa častice sa ľahko odkláňajú magnetickým poľom a majú mizivú prenikavosť - zastaví ich už aj list kancelárskeho papiera. Experimenty a simulácie navyše ukazujú, že pri určitých teplotách sú až dve z uvoľnených jadier hélia vysokoenergetické, ďalej zvyšujúc energetickú účinnosť celej reakcie. Zdroj: autor.

 

Vstupom do reakcie sú protóny (čiže jadrá vodíka) a izotop bóru 11. Bór v zemskej kôre patrí medzi stredne rozšírené prvky - v jednej tone sa v priemere nachádza 10 gramov tohto prvku, čo je približne na úrovni výskytu olova. V oceánoch však patrí medzi 12 najrozšírenejších prvkov a zastáva dôležitú úlohu v neutralizovaní morskej vody - v jednej tone vody sa nachádza 4,4 gramu bóru, čo zodpovedá celkovým zásobám v oceánoch približne 5 biliónov (1012) ton. Bór má na Zemi široké využitie. Okrem bunkových stien v rastlinách je súčasťou prírodných antibiotických látok, a v dnešnom priemysle je používaný od optických vlákien, pyrotechniky a medicínskej rádioterapie, cez čistiace prostriedky, zubné pasty a mydlá až po harddisky, mikrovlnné rúry či mobilné telefóny. Má dva stabilné izotopy - izotop s 11 nukleónmi má v zemskej kôre približne 80 percentné zastúpenie, zvyšnú časť tvorí izotop s desiatimi nukleónmi, pričom oba izotopy sa od seba pomerne ľahko separujú (proces, ktorý sa tradične používa v jadrovom priemysle, keďže bór 10 má schopnosť účinného pohlcovania neutrónov). Bór obsiahnutý v morskej vode však má ešte vyšší podiel 11B.

Skutočne žiadne neutróny ani indukovaná radiácia?

Redukcia pre tokamaky najvypuklejšieho problému - indukovanej radiácie - je hlavnou výhodou bezneutrónového reaktora. Aby sme boli vedecky korektní, je nutné uviesť, že aj keď uvedená p-11B reakcia samotná neprodukuje žiadne neutróny, v skutočnom reaktore môžu prebiehať aj konkurenčné sekundárne reakcie, produkujúce malé množstvo neutrónov. Konkrétne reakcie 11B + 4He 14N + n + 157 keV a 11B + p 11C + n - 2.8 MeV. Ich intenzita závisí od typu a parametrov reaktora, vo všeobecnosti ju primárne ovplyvňuje fakt, či sa plazma v reaktore nachádza v stave tepelnej rovnováhy (teda či jej častice mali dostatok času navzájom si vymieňať a distribuovať ich kinetickú energiu v procese nazývanom termalizácia). Sekundárne neutróny v tepelne rovnovážnej plazme odnášajú menej než 0.2 percenta uvoľnenej energie, čo je markantné (približne štyristonásobné) zlepšenie oproti D-T neutrónovým reaktorom. V prípade reaktorov s netermalizovanou plazmou (napr. nižšie diskutovaný Polywell) je situácia ešte výraznejšia - alfa častice potrebné pre prvú sekundárnu reakciu totiž okamžite unikajú (keďže na rozdiel od rovnovážnej plazmy nie sú potrebné na udržanie vysokej teploty), aby ich kinetická energia mohla byť ihneď premieňaná na energiu elektrickú. To výrazne znižuje pravdepodobnosť prvej reakcie. Druhá reakcia je v takýchto reaktoroch prakticky úplne eliminovaná, pretože nastáva až pri energiách protónov výrazne vyšších než optimálna energia pre p-11B fúziu - protóny s takou vysokou energiou sa v tepelne nerovnovážnej plazme (vyznačujúcou sa malým rozptylom energií častíc) prakticky nenachádzajú. Vďaka tomu nedochádza ani k produkcii krátkožijúceho izotopu uhlíka 11C, ktorý by bol v malých množstvách vytváraný v termalizovanej plazme (11C je rádioaktívna forma uhlíka s polčasom rozpadu 20,3 minúty). Výhodou reaktorov s netermalizovanou plazmou je teda ešte výraznejšia redukcia produkcie neutrónov v už i tak značne neutrónovo chudobnej fúzii a úplná eliminácia akýchkoľvek rádioaktívnych produktov. Dodajme ešte, že pre elimináciu produkcie neutrónov je nevyhnutné aj používanie izotopicky čistého paliva (to znamená bór bez prímesí izotopu 10B a vodík bez prímesí izotopu deutéria), izotopická separácia oboch týchto prvkov je však technologicky relatívne nenáročný, dobre zvládnutý a vďaka ich nízkej atómovej hmotnosti účinný proces.

Pre kompletnosť si uveďme aj poslednú nežiaducu sekundárnu reakciu predstavujúcu v tepelne rovnovážnej plazme menej než stotinu percenta uvoľnenej energie - 11B + p 12C + γ + 15.96 MeV. Vzniká pri nej vysokoenergetické gama žiarenie, z ktorého časť môže spôsobiť indukciu radiácie prostredníctvom tzv. fotodezintegrácie jadra. Malá pravdepodobnosť tejto reakcie sa v tepelne nerovnovážnej plazme dá ďalej znížiť vhodným nastavením energií protónov a iónov, takže indukcia rádioaktivity gama žiarením bude na veľmi nízkej úrovni. Z biologického hľadiska sa pred samotným gama žiarením z takéhoto reaktora dá spoľahlivo ochrániť napr. vrstvou olova, betónu alebo aj obyčajnej vody (pre konkrétnu predstavu - 20 centimetrov hrubá vrstva olova zníži intenzitu gama žiarenia viac než miliónkrát, rovnaký efekt má 1,2 metra hrubá vrstva betónu, alebo aj metrová vrstva vody uzavretá z oboch strán 18 centimetrovou oceľovou platňou).

Environmentálna bezpečnosť bezneutrónového reaktora 

Ekologické riziko viacerých druhov reaktorov a reakcií je možné ohodnotiť logickým rozdelením produkcie rádioaktivity do viacerých oblastí rôznej závažnosti zosumarizovaných v tabuľke na konci tejto kapitoly. Prevádzka dnes preferovaných uránovo/plutóniových štiepnych reaktorov musí čeliť všetkým v nej uvedeným problémom, pričom priamy rádioaktívny odpad vytvorený počas prevádzky či uvoľnený v prípade havárie (body 2, 6 a 7a) je vďaka dlhému polčasu rozpadu produktov obzvlášť závažný. Odlišný koncept štiepnych reaktorov - najmä v šesťdesiatych rokoch vyvíjané tóriové reaktory - ponúka čiastočné riešenie najpálčivejších problémov. Tóriové reaktory vďaka odlišnému palivovému cyklu produkujú približne tisíckrát menšie množstvo dlhožijúceho rádioaktívneho odpadu než tie dnešné (umožňujú spaľovať aj časť odpadu z uránových reaktorov). Vďaka neustále podkritickému množstvu štiepneho paliva prítomnému v reaktore u nich z fyzikálneho princípu nemôže dôjsť k jeho neovládateľnému roztaveniu (tzv. meltdown, ktorý je hlavným rizikom väčšiny súčasných štiepnych reaktorov - problém 6), a vďaka kontinuálnemu odoberaniu produktov štiepenia sa v nich v každom okamihu nachádza iba limitované množstvo rádioaktívneho odpadu, znižujúc tak úroveň zamorenia v prípade sabotáže či kompletného zničenia (problémy 7a až 7c). V neposlednom rade, paliva pre ne je v zemskej kôre približne trikrát viac než uránu, i keď tento fakt je čiastočne irelevantný, keďže Japonsko už dokázalo získať urán filtrovaním morskej vody, a to aj v súčasnej experimentálnej fáze za pomerne prijateľnú cenu 250 USD / kg, pričom zásoby uránu v morskej vode sa odhadujú na približne 4,5 miliardy ton. Ich vývoj však v minulosti začal stagnovať, predovšetkým kvôli tomu, že nie je praktické použiť ich na výrobu jadrových zbraní (problém 9, ktorého závažnosť v tabuľke nie je definovaná, keďže sa netýka priamo environmentálnych dopadov), a v druhom rade kvôli použitiu toxických látok (problém 8) (napr. berýlium v roztoku paliva a hrozba vzniku kyseliny fluorovodíkovej pri prípadnej havárii). Tabuľka neobsahuje neoverené koncepty štiepnych reaktorov (napr. čiastočne špekulatívny koncept Travelling Wave Reactor, do ktorého vývoja masívne investuje napr. aj Bill Gates).

Fúzny neutrónový reaktor tokamakového typu (napr. ITER) najnepríjemnejšie handicapy štiepnych reaktorov úplne eliminuje, keďže nie je preň nutné ťažiť rádioaktívne zložky paliva (problém 1, ktorý je strednej závažnosti,  predovšetkým vďaka limitovanej rádioaktivite rúd pre štiepne reaktory) a neprodukuje (ani sa v ňom v žiadnom okamihu nenachádzajú) žiadne dlhožijúce rádioaktívne produkty či medziprodukty reakcií. Avšak viaceré zvyšné nedostatky pretrvávajú - predovšetkým úniky stopových množstiev rádioaktívneho trícia (problém 4), ktoré si reaktor vyrába z nerádioaktívneho lítia a spotrebováva interne počas prevádzky. Použitie náročnejších palív zmierňuje aj tento problém, avšak vďaka sekundárnym reakciám sa isté množstvo trícia počas prevádzky produkuje (a následne spotrebováva) aj v nich. Keďže trícium je izotop vodíka, je to ťažko udržateľný plyn, ktorého mizivé množstvá budú unikať. V tejto súvislosti si ešte uveďme, že v úniku rádioaktívnych látok do životného prostredia počas prevádzky sú nielen fúzne reaktory, ale dokonca aj dnešné nie dokonalé štiepne jadrové elektrárne prekonávané elektrárňami spaľujúcimi uhlie, ktoré vďaka uvoľňovaniu popolčeka (obsahujúcemu spaľovaním skoncentrovaný obsah prírodného tória, uránu a ďalších prvkov) do atmosféry a na skládky uvoľňujú viac než desaťtisíc ton uránu a tória ročne. Vďaka tomu je úroveň radiácie uvoľňovaná do okolia uhoľnou elektrárňou približne trikrát vyššia než elektrárňou jadrovou, a kolektívna radiačná dávka obyvateľstva spôsobená uhoľnými elektrárňami je dokonca až stokrát vyššia než dávka spôsobená bez poruchy pracujúcimi elektrárňami jadrovými. Pre objektívny pohľad však súčasne podotýkame, že dávka radiácie je pre jednotlivca žijúceho v okolí uhoľnej elektrárne asi desaťtisíckrát nižšia než prirodzená dávka z kozmického žiarenia, radónu a ďalších prírodných zdrojov. Keďže jadrová elektráreň (štiepna či v budúcnosti fúzna) počas prevádzky uvoľňuje teda niekoľkodesaťtisícnásobne menej radiácie než človek dostáva z prirodzených zdrojov, problém 4 predstavuje environmentálne riziko strednej až nízkej závažnosti. V každom prípade, až bezneutrónový reaktor zabezpečuje úplné odstránenie tohto problému.

Eliminácia najvážnejších nedostatkov štiepnych elektrární neutrónovými fúznymi reaktormi je však čiastočne kompenzovaná indukciou rádioaktivity vplyvom neutrónov a čiastočne gama žiarením (problém 3), ktorá je pri fúznych D-T reaktoroch približne stokrát intenzívnejšia než v prípade reaktorov štiepnych. Produkuje jadrá so stredne dlhým polčasom rozpadu, preto na rozdiel od priameho odpadu je problémom stredne závažným. Tokamak pri použití rôznych palív, ktoré vzhľadom na jeho technologické limity prichádzajú do úvahy, nie je schopný zredukovať percento energie odnášanej neutrónmi na menej než 5 percent, neriešiac tak účinne problém indukovaného rádioaktívneho odpadu (resp. odsúvajúc ho na nepriame riešenie vývojom nízkoindukovateľných materiálov). Bezneutrónové netokamakové reaktory predstavujú aj v tomto smere výrazný pokrok, keďže sa v nich v prípade využívania plazmy nachádzajúcej sa v tepelnej rovnováhe (termalizovanej) viac než 99,8 percenta energie uvoľňuje v podobe ľahko ovládateľných a na elektrickú energiu premieňateľných alfa častíc. V prípade reaktorov využívajúcich netermalizovanú plazmu ich podiel dokonca môže prekročiť 99,99%, a len zlomok percenta energie sa uvoľňuje vo forme neutrónov. Spolu s oproti tokamaku omnoho subtílnejšou a menej hmotnou konštrukciou to predstavuje o niekoľko rádov menšiu produkciu indukovaného rádioaktívneho odpadu, a to aj pri zarátaní málo intenzívneho (hoci vysokoenergetického) gama žiarenia, odnášajúceho menej než stotinu percenta energie. 

Samozrejme, vzhľadom na veľký celkový výkon počas prevádzky reaktora aj tieto zlomky percenta vyžadujú z biologického hľadiska účinné tienenie (problém 5). Na zníženie úrovne radiácie v okolí reaktora na prírodnú úroveň postačí približne jeden meter hrubá vrstva vhodného materiálu (napr. voda a niekoľkocentimetrová vrstva 10B). Rovnako jednoducho (napr. niekoľko milimetrovou vrstvou olova) sa dá reaktor počas prevádzky odtieniť pred intenzívnym röntgenovým žiarením, ktoré nespôsobuje aktiváciu materiálu. Vďaka nekomplikovanému a úplnému riešeniu bez následkov je preto tento problém z ekologického/medicínskeho pohľadu nízkej závažnosti.

Z hľadiska rizika pri poruche štandardnej prevádzky či už vplyvom prírodnej katastrofy alebo úmyselného zničenia (problémy 6 a 7) sú predovšetkým z dôvodu nemožnosti nekontrolovaného uvoľňovania energie fúzne reaktory všetkých druhov (podobne ako reaktory tóriové) extrémne bezpečné. Fúzny proces totiž vyžaduje vytvorenie veľmi náročných fyzikálnych podmienok, a keďže pri akomkoľvek zlyhaní tieto podmienky prestanú byť splnené, tak proces produkcie energie sa vďaka samotným prírodným zákonom na rozdiel od uránových štiepnych reaktorov okamžite preruší, nevyžadujúc žiadne dochladzovanie ani ďalšie preventívne kroky. Druhým faktorom pri posudzovaní environmentálnej bezpečnosti v prípade havárie je množstvo rádioaktívnych látok v reaktore. Pri komerčne využiteľných výkonoch sa bude v akomkoľvek okamihu nachádzať v neutrónovom tokamaku niekoľko gramov stredne dlhožijúceho trícia (pre D-D a D-3He reaktory toto množstvo bude o niečo menšie). Jeho koncentrácia sa aj v prípade úplného externého zničenia reaktora vďaka tomuto malému množstvu pri havárii rozptýli na veľmi nízke hodnoty už na pozemku jadrovej elektrárne. Vďaka viazaniu sa trícia vo vode (a teda ľahkému prieniku do organizmov, hoci súčasne aj jeho ľahkému vyplavovaniu) a polčasu rozpadu 13,6 roka však jeho prípadný únik nie je zanedbateľným faktorom. Bezneutrónové reaktory s termalizovanou plazmou nebudú produkovať žiaden dlhožijúci ani strednežijúci odpad, budú však produkovať malé množstvo uhlíka 11 s krátkym polčasom rozpadu, ktorého radiácia vymizne po niekoľkých hodinách po vypnutí reaktora (konkrétne napr. po šiestich hodinách klesne na milióntinu pôvodnej hodnoty), a ktorý vďaka svojim chemickým vlastnostiam nebude unikať do okolia počas prevádzky reaktora. Je potešujúce, že aj toto minimálne riziko bezneutrónové reaktory s netermalizovanou plazmou eliminujú úplne.

Suma summarum, bezneutrónový p-11B reaktor teda (v rozpore s predstavou niektorých nedostatočne informovaných obhajovateľov) bude produkovať rádioaktívne žiarenie počas prevádzky. Jeho ekologický potenciál spočíva predovšetkým v tom, že ponúka úplnú elimináciu vážnych problémov súčasných jadrových elektrární (t.j. neprodukuje žiadny dlhožijúci rádioaktívny odpad, nehrozí jeho explózia či roztavenie), a navyše netrpí ani menej závažnými neduhmi fúznych neutrónových reaktorov (žiadne úniky rádioaktívnych látok počas prevádzky, neporovnateľne nižšie opotrebovanie materiálov vplyvom neutrónového toku). Jedinou formou radiácie pretrvávajúcej aj po jeho vypnutí je veľmi nízka úroveň indukovanej rádioaktivity (niekoľkostonásobne nižšia v porovnaní s reaktorom ITER) a v prípade využívania termalizovanej plazmy aj malé množstvo uhlíka 11, ktorého radiácia vďaka veľmi krátkemu polčasu rozpadu vymizne po niekoľkých hodinách. V prípade netermalizovanej plazmy bude indukovanie radiácie ešte výrazne nižšie, a uhlík 11 (ani žiadne iné rádioaktívne produkty či medziprodukty) nebude produkovaný vôbec. Spolu s nulovými emisiami zdraviu škodlivých či skleníkových látok a plynov a vysokou hustotou energie paliva (a z toho plynúcou ekonomickou využiteľnosťou enormných zásob paliva v oceánoch) je preto bezneutrónový reaktor vysoko ekologickou a bezpečnou možnosťou veľkokapacitnej produkcie energie.

Tabuľka. Porovnanie ekologickosti viacerých druhov jadrových reaktorov (plná veľkosť tabuľky sa zobrazí po kliknutí). Pre sprievodný text viď hlavný text v článku. Okrem odborných publikácii je možné podklady pre skutočnosti a údaje uvedené v tabuľke získať aj z nasledujúcich širšej verejnosti zrozumiteľných zdrojov (vrátane v nich uvedených sekundárnych referencií): a,b,c,d, a pre posledné dva stĺpce referencie z konca tohto článku.

Ako p-11B fúziu dosiahnuť?

Ako sme si už povedali, dosiahnutie a udržanie uvedenej reakcie v tokamaku je krajne nepravdepodobné. Avšak namiesto dosiahnutia potrebných rýchlostí častíc prostredníctvom rovnovážneho zahrievania plazmy stabilným magnetickým poľom je možné im rýchlosť udeliť aj inými spôsobmi. Výskum a vývoj v posledných rokoch v tomto smere výrazne pokročil a ponúka hneď niekoľko možností, ktoré už dosiahli veľmi povzbudivé výsledky s fúziou D-T či D-D a majú potenciál byť v dohľadnej dobe aplikovateľné aj na bezneutrónovú fúziu. Pritom všetky tieto možnosti sú v porovnaní s tokamakmi výrazne technologicky menej komplikované, reaktory majú malé rozmery a teda aj podstatne nižšiu cenu než tokamaky. Spolu s možnosťou takmer absentujúceho rádioaktívneho odpadu a priamej konverzie energie ponúkajú teda perspektívu viacnásobného benefitu.

Popisu štyroch najsolídnejšie teoreticky prepracovaných a experimentálne povzbudivo sa vyvíjajúcich konceptov je venovaná druhá časť tohto článku, ukončená záverom spoločným pre oba diely.

Ekologická jadrová energia - bezneutrónová fúzia (časť II.) 

 

Autor: Juraj Kotulič Bunta, Ph.D

(LinkedIn)

 

 

Podrobnejšie informácie a výber odporúčaných referencií (pre obe časti článku):

Všeobecné:
Aneutronic fusion
Understanding the 11B(p,α)αα reaction at the 0.675 MeV resonance , Physics Letters B, 2011 (pdf)

Polywell:
Polywell
EMC2 Fusion Development Corporation
The Advent of Clean Nuclear Fusion: Super-performance Space Power and Propulsion, 57th Int'l Astronautical Congress, Spain, 2006  (pdf)
Polywell Discussion Forum 

Dense Plasma Focus:
Dense Plasma Focus
Focus Fusion Society
Lawrenceville Plasma Physics, Inc
Prospects for P11B Fusion with the Dense Plasma Focus: New Results, 5th Symposium "Current Trends in Int'l Fusion Research: A Review", USA, 2003

Laser fast ignition:
HiPER Laser Fast Ignition
Fusion energy without radioactivity: laser ignition of solid hydrogen–boron (11) fuel, Energy & Environment Science, 2010 (pdf)
Observation of neutronless fusion reactions in picosecond laser plasmas, Physical Review E 72, 2005 (pdf)
100-MHz multi-terawatt femtosecond Ti:sapphire laser with a regenerative amplifier, Chinese Optics Letters, 2007 (pdf)

Z-pinch:
Z-pinch for Energy - Sandia National Laboratory ("Z-machine")
Z-pinch Inertial Fusion Energy

 

Your rating: Žiadna Average: 5 (27 votes)