Horúca fúzia

Horúca fúzia
Je niekoľko spôsobov, ako pomocou jadrovej syntézy vyrobiť elektrickú energiu. Najúspešnejšie vypadá TOKAMAK, ale komerčne využívanou metódou sa môže stať aj laserová fúzia alebo niektorý druh tzv. fúzie na pracovnom stole. Pri zavedení jadrovej syntézy do praxe sa plánuje využiť D+T (deutérium + tritium) reakciu, má najnižšiu zápalnú teplotu. (Pozri obr.1)
 
3.1. TOKAMAK
TOKAMAK (тороидальная камера в магнитных катушках = toroidálna komora v magnetických cievkach) (pozri Obr.2) pracuje na princípe magnetického udržania plazmy. Ak je hustota plazmy nízka, tak čas udržania plazmy, aby nastala fúzia je minimálne niekoľko sekúnd. Tokamak je vlastne veľká cievka v tvare pneumatiky. Silné magnetické pole udržuje plazmu v strede komory.

Plazma sa však musí zahriať na vysokú teplotu. Dosiahne sa to induktívnym ohrevom (využíva sa princíp transformátoru, kde komora s plynom tvorí jediný závit jeho sekundárneho vinutia). Vybitím kondenzátorovej batérie (u malých TOKAMAKov, u veľkých sa používa zotrvačník alebo rozvodná sieť) do primárneho vinutia sa elektromagnetickou indukciou indukuje elektrický prúd do sekundárneho vinutia. To spôsobí prudké zvýšenie teploty a úplnú ionizáciu. Plazma sa stane lepšie vodivou, preto induktívny ohrev prestáva byť účinný. Ďalšie zohriatie plazmy zabezpečí vstreknutie malého množstva neutrálnych izotopov vodíka s vysokou energiou, ktoré svoju energiu odovzdajú plazme zrážkami. Môže sa použiť absorpcia elektromagnetického žiarenia (podobný spôsob ako v mikrovlnej rúre). Zatiaľ však TOKAMAKy spotrebujú viac energie ako vyrobia. Problémy robí aj turbulencia. Plazma vo väčšej miere, ako pripúšťa teória, preniká kolmo na siločiary magnetického poľa (smerom k stenám TOKAMAKu), čím spôsobuje straty energie a niekedy aj poškodenie TOKAMAKu. TOKAMAKY však majú aj iné nedostatky, tie má vyriešiť TOKAMAK ITER.

Sú to:
1.) odvod spalín z komory;
2.) plazma vyhasína, ale TOKAMAK musí dodávať stáli elektrický prúd;
3.) dopĺňanie paliva do plazmy;
4.) turbulencia v plazme spôsobujúca nehomogenity, ktoré môžu viesť k poškodeniu TOKAMAKU.
  Napriek tomu majú TOKAMAKY veľkú budúcnosť. TOKAMAK JET neďaleko Oxfordu vyprodukoval 65% energie, ktorú spotreboval. Preto dosiahnutie kladného zisku sa očakáva práve od TOKAMAKu, konkrétne od ITER-u.
 
3.1.1 ITER
Po medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS) je ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) najväčším vedecko-technickým dielom ľudstva. Má slúžiť na otestovanie konštrukcie, životnosti použitých materiálov ... O jeho umiestnení panovali dlhé spory, nakoniec sa zúčastnené strany dohodli na Francúzsku. Parametre ITER-u sa nedajú porovnávať so žiadnym iným TOKAMAKOM. (pozri Obr.3) Zatiaľ, čo rekordný výkon JET-u je 16 MW, ITER bude pracovať s výkonom 500 MW. Objem plazmy bude 850 m3, čo je viac ako vo všetkých TOKAMAKoch  dokopy.

Menšie problémy má aj ITER. Napr. použité tritium je rádioaktívne. V areáli ITER-u bude jeho limit niekoľko sto gramov. V budúcnosti sa bude tritium vyrábať priamo v reaktore, takže jeho doprava odpadne (dovážať sa bude litium). Ďalším problémom sú neutróny s energiou 14,1 MeW. V neskorších reaktoroch má byť väčšina neutrónov absorbovaná lithiovou vrstvou. Zvyšok zachytí štít. Vyradený štít musí ostať bezpečne uskladnený cca 100 rokov. Oproti štiepnym elektrárňam je to málo a použitím materiálu EUROFER sa má tento čas ešte skrátiť. Ak bude ITER úspešný, postaví sa reaktor DEMO, prototyp komerčného reaktoru. Využitie jadrovej syntézy v bežnej praxi pred rokom 2040 je však utópia.
 
3.2 Laserová fúzia
Vývoj tokamakov trvá už okolo pol storočia, je mimoriadne drahý  a výsledky nie sú veľké, stále atóm štiepime ale nezlučujeme. Existuje však aj iná alternatíva, laserová fúzia. Ide v podstate o miniatúrne vodíkové bomby odpaľované za sebou. Uvoľňovaná energia by sa menila na elektrickú energiu. Laserová fúzia pracuje na princípe inerciálneho udržania. Pri vysokej hustote plazmy stačí krátka doba udržania (rádovo 10-10 s).Táto koncepcia má niekoľko výhod. Na rozdiel od TOKAMAKu, ktorý funguje iba ako celok, laserová fúzna elektráreň je v podstate stavebnica (môžu sa zvlášť vyvíjať lasery, palivové tablety, atď.). Navyše, laserová fúzna elektráreň sa skladá, okrem iného, z väčšieho počtu vysokovýkonných laserov, teda po vyvinutí jedného laseru je to otázka sériovej výroby.

K tomu všetkému sa technológia vyvíja aj v National Ignition Facility (NIF), a teda okrem výskumu laserového zapálenia termonukleárnej reakcie sa bude vyvíjať aj laserová a materiálová technológia a budú sa zlepšovať nukleárne zbrane bez potreby skúšobných explózií. Jadrová reakcia laserovou metódou prebieha nasledovne. Najprv sa do stredu guľovej komory umiestni tableta zmesi deutéria a trítia obalená berýliom. Následne ju naraz ožiari 192 laserov. Tableta sa stlačí, pričom jej hustota bude 1 kg/cm a teplota 107 °C. Vtedy nastane jadrová syntéza. Vyžiarené neutróny sa pohltia stenou reaktoru, ktorá sa ochladí chladiacim médiom. Chladiace médium uvedie vodu do varu a vzniknutá para poženie turbíny poháňajúce generátor. To je priamy laserový ohrev. Pri nepriamom, ktorý sa tiež preverí, sa tableta umiestni do malého valca z materiálu s vysokou hustotou, napr. z olova, alebo zlata. Pri ožiarení valca vznikne röntgenové vlnenie, ktoré následne stlačí tabletu. Potom je všetko rovnaké.

TOKAMAKy majú za sebou polstoročný vývoj a koncepcia elektrárne je v pokročilom štádiu. Laserová elektráreň je iba vo veľmi hmlistých plánoch, ale je to dobrá alternatíva pre prípad, keby sa TOKAMAKy ukázali ako nepoužiteľné.