Existuje celosvětově organizovaný program včetně finančních dohod o krocích, které tuto ideu přivedou k životu. Fúzní energii tak můžeme začít využívat v horizontu 30 – 40 let. To vše vypadá jako dobré zprávy; bohužel, tím jsme v tomto článku dobré zprávy téměř vyčerpali. Při detailnějším pohledu na problematiku řízené jaderné fúze se objevují již jen obtíže.
Důsledkem je smutný fakt, že o tom, že fúzní energii budeme využívat do cca třiceti let se už mluví nejméně let šedesát a zdá se, že proces oddalování data, kdy už to konečně přijde, nebere konce (jak by řekli matematici, nekonverguje). V posledních letech však došlo přece jen k důležitému pokroku. Ještě před několika lety se objevovaly názory, že zvládnout jadernou fúzi jako zdroj energie není z různých důvodů možné. Dnes se zdá, že na všechny takové problémy je nalezeno řešení a že neexistuje žádná principiální překážka pro to, abychom fúzi mohli v budoucnu jako zdroj energie využívat. Samotný důkaz proveditelnosti řízené jaderné fúze však nestačí, musí být doplněn studiemi týkajícími se bezpečnosti, dopadů na životní prostředí a ekonomických aspektů provozu fúzních elektráren. První dva body se nezdají být kritické, odpůrci vize jaderné fúze proto dnes nejčastěji argumentují tím, že fúzní reaktor je tak složitý a drahý stroj, že jeho provoz nebude nikdy rentabilní. V tom mohou mít bohužel pravdu: reaktor ITER, který se staví ve francouzském Cadarachi, bude obsahovat asi milión součástek a vážit tolik, jako tři Eiffelovy věže. Některé významné události týkající se jaderné fúze shrnuje tabulka 1.
K tomu, aby se dvě lehká atomová jádra sloučila, je zapotřebí, aby se k sobě přiblížila na vzdálenost, kdy začnou působit silné jaderné síly, které "slepí" pomocí gluonů obě jádra k sobě a vznikne nový atom. Bohužel, silné jaderné síly působí jen na velmi krátkou vzdálenost (~ 10-15 m), zatímco elektrostatická Coulombovská síla, které od sebe naopak obě jádra odpuzuje, je významná na velkou vzdálenost. Aby se k sobě naše dvě jádra dostatečně přiblížila, musí se vzájemně pohybovat velmi vysokou rychlostí, tj. musí mít kinetickou energii odpovídající teplotě přibližně 100-150 miliónů K. Udržet palivo pohromadě dostatečnou dobu nutnou k ohřevu na tak vysokou teplotu je zásadním problémem řízené fúze. Lze toho experimentálně dosáhnout v podstatě dvěma způsoby. Buď je možné držet palivo v magnetické pasti a ohřívat jej až na požadovanou teplotu; existuje několik návrhů konstrukce takového zařízení. Druhou možností je zahřát malé množství paliva ve formě kapsle tak rychle, že dojde k fúzi dříve, než se palivo rozletí do okolí – k udržení jader blízko sebe navíc může napomoci stlačení kapsle rázovou vlnou během ohřevu. Jedná se tedy vlastně o fúzní minibombu. Možná energie jednoho minivýbuchu je odhadována na 108 J. Pro ohřev a vyvolání rázové vlny stlačující střed kapsle je nejčastěji uvažován silný laserový puls.
Několik technických návrhů, jak provádět jadernou fúzi podle těchto dvou metod, uvádí tabulka 2. Mimochodem, v jádře Slunce panuje teplota jen asi 10 miliónů stupňů. Slunce si totiž při jaderné fúzi pomáhá i vysokým tlakem, který bychom vytvářeli v laboratorních podmínkách jen obtížně.
Jako nejslibnější možnost využití řízené jaderné fúze se zatím jeví stavba velkých reaktorů typu tokamak, ve kterém je vodíkové plasma drženo v magnetické pasti uvnitř torusu, kde je urychlováno a ohříváno až na potřebnou teplotu. Na obrázku 1 je znázorněn rámcový plán směřující k využití fúze jako zdroje elektrické energie. Podle něj by výzkumné aktivity na současných tokamacích měly být utlumovány a měly by být postaveny dva nové tokamaky: ITER a DEMO.
Tokamak ITER bude schopen udržet fúzní reakci po dobu 8 minut a bude prvním tokamakem s pozitivní energetickou bilancí – vyrobí během reakce více energie, než spotřebuje na její zažehnutí a udržení. Po získání zkušeností s tak dlouhou reakcí se dokončí plány a začne výstavba demonstrační elektrárny DEMO, která bude fungovat v kontinuálním režimu s výkonem 2 GW, což je přesně současný výkon obou bloků jaderné elektrárny Temelín, a bude po zkušební periodě přifázovaná do sítě. ITER měl původně začít fungovat letos, díky mnoha problémům se však jeho stavba stále prodlužuje a také prodražuje. Pěkný článek o ITERu přinesl před několika lety Vesmír [1].
Podle názoru autora je neštěstím zvolení jako hostitelské země pro ITER Francie; administrativní supertěžkopádnost a politická nerozhodnost nepřispívá k rychlejšímu postupu. Dnešní odhad o postupu konstrukce zní: první plazmová reakce v roce 2020, počátek D+T cyklu v roce 2027. Celá stavba se také velmi prodražila; z původních 5 miliard Euro na dnešní odhad nejméně 16 miliard E. ITER tak bude dvakrát dražší než Large hadron collider v CERNU a stává se, nepočítáme-li vesmírné programy, nejdražším vědeckým projektem historie. Je-li to skutečně přehnaná cena za průzkum možnosti využívat jaderné fúze jako zdroje energie ve srovnání s jinými výdaji ponecháme na čtenářově úvaze; může se přitom inspirovat obrázkem 2.
V ITERu i DEMU bude probíhat fúzní reakce deuteria a tritia za vzniku He a neutronu s velmi vysokým ziskem energie 14,1 MeV:
12D+13T ---> 24He+01n + 14,1 MeV
Tato reakce byla zvolena kvůli tomu, že je nejsnáze proveditelná; jiné typy fúzních reakcí vyžadují ještě vyšší teploty. Navíc mají nukleony v 24He mají obzvlášť vysokou vazebnou energii, která se při reakci uvolňuje. Reaktor tak bude mít vysoký výkon. Ale máme tu hned několik problémů:
Zatímco deuterium lze získat z mořské vody, tritium se v přírodě nevyskytuje a musí se uměle vyrobit. Tato potíž je překonána takřka geniálním nápadem: uvnitř tokamaku budou umístěny lithiové terče, které při bombardování neutrony uvolňují tritium; reaktor si tak polovinu svého paliva bude sám vyrábět.
Bohužel, tritium je silně radioaktivní izotop a existují obavy, že může z reaktoru unikat do okolí.
Vysoce energetické neutrony budou intenzivně ozařovat reaktor a způsobovat vážné problémy materiálovým expertům. O těchto problémech si nyní řekneme něco více.
Fúze a materiály
Materiálů, ze kterých se ITER staví nebo o kterých se pro jeho stavbu uvažuje, je tolik, že jejich výčet by byl možná delší než tento článek [2]. Alespoň několik z těch nejdůležitějších si můžeme přiblížit s pomocí obrázku 3, na kterém je schéma reaktoru ITER [3].
1. Magnety. Jedním problémem fúzního reaktoru je nutnost držet horké plazma deuteria a tritia bez doteku se stěnami reaktoru v intenzivním magnetickém poli, které vyžaduje použití supravodivých materiálů pro elektromagnety. Protože vývoj vysokoteplotních supravodičů ještě nedospěl do stavu vhodného pro aplikace, bude nutné použít materiály chlazené kapalným héliem. Zvolen byl materiál Nb3Sn, jehož hlavní výhodou je udržení supravodivosti i v podmínkách velmi silného magnetického pole. Bohužel, tento materiál je křehký asi jako sklo, což komplikuje výrobu drátů a vinutí. Proto byl zvolen následující technologický postup: nejprve jsou připraveny zvlášť niobiové a cínové pruty, které vloží do měděného pouzdra. Několik desítek takových tyčí se obalí další měděnou obálkou a vznikne polotovar ve tvaru válce. Postupným protahováním se tento válec stále prodlužuje a ztenčuje až do formy drátu, uvnitř kterého jsou v matrici Cu vlákna Nb a Sn. Tento drát se použije např. k navinutí cívky a teprve poté je zahřát na tak vysokou teplotu, aby Nb a Sn pomocí difúze vytvořily supravodivou intermetalickou fázi Nb3Sn. Proveditelnost tohoto komplikovaného postupu pro ITER již ověřilo nezávisle 6 firem. Ze zhruba 100kg polotovaru vyrobily drát o průměru menším než 1mm a délce 10-30 km; kvalita produktu a detaily přípravy se nyní posuzují. Celkem bude potřeba asi 80 000 km takového vodiče.
2. Materiály pro kryogenní komponenty. Výše zmíněné magnety jsou rozmístěné kolem celého vakuového prstence. Technologický celek zajišťující jejich chlazení, kryostat, obklopuje celý reaktor a je tedy obří, asi 30 m vysokou, ledničkou. Nejproblematičtější její částí je středový válcový elektromagnet nazývaný centrální solenoid o průměru 4,3 metru, výšce 13 metrů a váze 1000 tun. V materiálech centrálního solenoidu bude docházet díky magnetostrikčnímu efektu a teplotním gradientům k silným napětím a proto požadavky na vlastnosti tohoto materiálu nejsou malé: velmi vysoká pevnost (pro odborníky: mez kluzu vyšší než 1000 MPa) a zároveň vysoká houževnatost (KIC > 130 MPa m1/2), to vše při teplotě kapalného He. Protože tyto dvě materiálové charakteristiky jdou typicky proti sobě, tj. se zvyšováním pevnosti se materiály stávají křehčími, jsou oba požadavky zároveň obtížně splnitelné. Navíc je jasné, že jakýkoli jiný materiál než ocel by reaktor neúměrně prodražil.
Nejoblíbenějšími materiály pro kryogenní aplikace jsou austenitické oceli jako je např. ocel 316L, které jsou pevné, houževnaté, korozivzdorné a mají ve srovnání s ostatními kovovými materiály nízkou tepelnou vodivost. Ani tato ocel ovšem nesplňuje výše uvedené požadavky. Zvýšením podílu Mn, Cr a Ni byla vyvinuta speciální austenitická ocel s označením JK2LB a chemickým složením 21 % Mn, 13 % Cr, 9,3 % Ni, 1,2 % Mo, která má podle prvních ověření dostatečnou pevnost i houževnatost pro dané podmínky.
3. Materiály první stěny. Extrémně horké plazma bude magnety udržováno uprostřed vakuové nádoby bez doteku s jejím povrchem – tedy alespoň v ideálním případě. Zkušenost s provozem dnešních tokamaků ukazuje, že občas dojde k nekontrolovanému kontaktu části plazmatu se stěnou, k jejímu lokálnímu natavení a erozi. Dalším problémem je intenzivní ozařování neutrony, o kterém budeme psát podrobněji dále. Vnitřní stěna ITERu bude proto složena ze 440 vyměnitelných dílů. Jaké materiály jsou nejvhodnější pro obložení vnitřku nádoby je stále otázkou diskuse. Určitě bude použit wolfram alespoň na spodní část nádoby, tzv. divertor, který bude odvádět nejvíce vyprodukované energie ve formě tepla do dalších částí elektrárny. Dále budou na stěně reaktoru umístěné lithiové terče pro výrobu tritia a berylium jako násobič neutronů pro produkci tritia.
4. Konstrukční materiály. Věnujme se nyní podrobněji oblasti, na které se v rámci mezinárodní spolupráce podílí i tým na Ústavu fyziky materiálů, AV ČR (ÚFM): vývoje konstrukčních materiálů pro budoucí tokamaky. Při výstavbě ITERu je použito z velké části austenitické oceli 316L. V energetice se kromě austenitických ocelí často používají feriticko-martenzitické oceli s obsahem okolo 9% Cr (P91, T91, Manet apod.). Bohužel, tyto osvědčené konvenční materiály nejsou pro tokamaky pracují v kontinuálním režimu vhodné. Zásadním problémem materiálů, ze kterých budou fúzní reaktory postaveny, je jejich expozice mimořádně vysokým dávkám rychlých neutronů. Náraz neutronu do jádra atomu může vyrazit atom z jeho rovnovážné pozice, a to ne jen jeden, nýbrž způsobí tzv. kolizní kaskádu, která se bude týkat desítek atomů. Vzniká tak radiační poškození materiálu ve formě tvorby bodových poruch, dislokačních smyček a dokonce H nebo He atomů, které difundují k hranicím zrn a způsobují zkřehnutí materiálu. Heliové křehnutí je problém, kterého se konstruktéři ITERu a DEMa bojí asi nejvíce. Dávka ozáření se v případě materiálů nejlépe charakterizuje jednotkou dpa (displacement per atom), která říká, jaký zlomek atomů byl vyražen ze své mřížkové polohy. Například pro tlakové nádoby reaktorů jaderné elektrárny Dukovany má tato hodnota dosáhnout 0,8 dpa za asi 40 let provozu, zatímco u fúzních reaktorů pracujících v kontinuálním režimu (tedy ne u ITERu) má dávka ozáření neutrony dosáhnout až 150 dpa, tj. každý atom bude během provozu v průměru 150x vyražen ze své rovnovážné mřížkové pozice. Co se bude dít s materiály během tak gigantických dávek ozáření neutrony se můžeme jen dohadovat, praktickou zkušenost jednoduše nemáme. To, co inženýři tuší, není vůbec pěkné. Kromě zmíněného problému s křehnutím materiálu může zachycení neutronu v jádře atomu způsobit rozpad tohoto jádra za vzniku nových izotopů, z nichž některé mohou být radioaktivní. To je velmi nepříjemné, protože krásná představa o čisté energii bez jaderného odpadu dostává trhliny: elektrárna sice nebude produkovat jaderný odpad jako produkt reakce, ale materiály samotného reaktoru se postupně stanou radioaktivními. Neutrony navíc pronikají materiálem do poměrně velkých hloubek a malá, avšak nezanedbatelná část neutronů dokonce projde celým reaktorem. Problém křehnutí a aktivace se tedy netýká jen materiálů první stěny. Je možné se vyhnout situaci, kdy se celý reaktor postupně (a možná i velmi rychle) stane křehkým radioaktivním odpadem? Pro každý izotop jsou známé rozpadové řady a při známém chemickém složení materiálu se dá předpovědět, jaké izotopy budou při ozařování vznikat. Vhodným chemickým složením lze tedy vyrobit ocel tak, aby v ní při ozařování neutrony nevznikaly radioaktivní izotopy s dlouhou dobou rozpadu; hovoříme o materiálech s nízkou aktivací (low activation, LA) nebo s omezenou aktivací (reduced activation, RA). Některé běžně využívané prvky jako je Ni nebo Mo, jsou pro RA materiály zakázané. Naštěstí nám příroda nabízí několik prvků, ze kterých lze rozumnou ocel s omezenou aktivací vyrobit: Fe, Cr, V, Si, C. Cílem je vyvinout takový konstrukční materiál, který 100 let po ukončení provozu reaktoru bude tak slabě radioaktivní, že s ním bude možné manipulovat bez ochrany (hands on level). V laboratořích po celém světě bylo vyrobeno několik variant RA ocelí s vysokým obsahem chromu (8-15 hmotnostních %). Jako dosud nejlepší se ukázala být evropská varianta feriticko-martenzitické RA oceli označovaná jako Eurofer 97, která má podobné složení a termomechanické zpracování jako ocel P91, ale "zakázané" prvky byly nahrazeny RA prvky s podobným účinkem: např. místo Ni byl použit W. Chemické složení této oceli je 9 % Cr, 2 % W, 0,3 % V a 0,15 % Ta, zbytek Fe. Jako velmi pozitivní se ukázalo mikrolegování tantalem, které ve výsledku vede ke zjemnění zrna a vyšší pevnosti. V současnosti prošla tato ocel velkým množstvím testů a je hlavním kandidátem pro konstrukční materiál reaktoru DEMO [4]. Přesto některé vlastnosti oceli Eurofer nejsou zcela uspokojivé: 1) ačkoliv maximální provozní teplota 550 °C je vysoká, její navýšení by přineslo vyšší účinnost celého systému. Zvyšování maximální provozní teploty ocelí je materiálovým evergreenem, např. v oblasti energetiky založené na spalování uhlí jsou vyvíjeny v celoevropské spolupráci oceli schopné provozu při 700 °C; 2) podobná poznámka se týká i pevnosti této oceli, která je uspokojivá (mez kluzu 550 MPa), nikoliv však výjimečná; 3) pokud je ocel Eurofer zatěžovaná opakovaně působícími silami, tzv. cyklickým zatěžováním, ztrácí postupně svoji pevnost. Toto cyklické změkčování je vlastnost, kterou konstruktéři u materiálů nemají rádi. Proto se v současnosti vyvíjejí oceli zpevněné oxidickou disperzí, které jsou ve třech uvedených parametrech výrazně lepší a mohou tedy být použity na některé nejvíce namáhané součásti reaktoru.
Oceli s oxidickou disperzí
Mechanické vlastnosti materiálů jsou úzce spojeny s pohybem poruch krystalové mříže, dislokací. Při pohybu dislokace se v jejím okolí vzájemně přemisťují atomy a dochází k trvalé (plastické, irreverzibilní) deformaci. Dislokace je tedy nositelkou plastické deformace, podobně jako je elektron nositelem elektrického proudu. Pokud se dislokace nemohou pohybovat, materiál nemá schopnost plasticky se deformovat a je křehký (např. keramiky za pokojové teploty). Pokud se dislokace mohou pohybovat velmi snadno, má materiál nízkou pevnost a je tvárný (např. čisté prvky: olovo, cín, hliník, zlato). Pokud chceme zvýšit pevnost materiálu, musíme přemýšlet, jak dislokacím ztížit jejich pohyb. Možností je mnoho. Lze zmenšit velikost zrna a zvýšit tak počet hranic zrn, které jsou velmi silné překážky pro pohyb dislokací. Inženýři si jistě vzpomenou na Hallův-Petchův vztah mezi pevností a velikostí zrna. Je možné v materiálu vypěstovat precipitáty jiné fáze, které dislokace obtížně překonávají – tento způsob je využit např. u duralu, superslitin nebo ocelí s karbidy. Lze zvýšit množství dislokací v materiálu jeho tvářením, dislokace si pak při pohybu samy zavazejí.
Běžné oceli jsou zpevněné karbidickými částicemi, tedy sloučeninami uhlíku, ať už ve formě karbidů legujících kovů (Cr, V, Mo) anebo karbidu železa, cementitu, Fe3C. Při vyšších teplotách nejsou karbidy stabilní, některé se rozpouštějí anebo hrubnou; ocel tak ztrácí svoji pevnost. Proto byla oprášena stará myšlenka použít ke zpevnění ocelí jemné oxidy (oxide dispersion strengthened steels, ODS oceli, podobnost názvu s politickou stranou je čistě náhodná). Nejčastěji jsou voleny teplotně velmi stabilní oxidy yttria. Nevýhodou je obtížná a drahá příprava takového materiálu. V mnoha světových laboratořích (Evropa, USA, Indie, Japonsko) jsou nyní připravovány tyto oceli; hledá se kombinace ekonomicky výhodné výroby a dobrých vlastností. Vyrobené materiály jsou testovány ve specializovaných laboratořích. Na ÚFM v Brně jsme zapojení do evropské skupiny pracovišť vyvíjejících materiály pro fúzi, řízené organizací EFDA (European fusion development agreement). V rámci této spolupráce jsme prováděli měření únavových vlastností, lomové houževnatosti a charakterizaci mikrostruktury ODS ocelí připravených v Německu (dále budeme tuto ocel označovat "ocel D"), ve Francii (ocel F) a ve Švýcarsku (ocel CH).
Na obrázku 4 je ukázán výsledek testu, kdy při 650 °C a 750 °C byly zkušební vzorky tří ocelí cyklicky deformovány v tahu a tlaku o 0,7%. Je vidět, že napětí potřebné k takové deformaci, je nejvyšší u oceli CH a nejnižší u oceli D. Hodnoty napětí nad 300 MPa jsou při teplotě 750 °C pro oceli výjimečně vysoké. Na obrázku 5 jsou zviditelněny rovnoměrně rozptýlené velmi jemné oxidy o průměrné velikosti asi 2 nanometry. Malé a rovnoměrně rozptýlené oxidy mají největší zpevňující účinek, obr. 5 tedy ukazuje ideální mikrostrukturu ODS oceli. Naproti tomu na obr. 6 (ocel D) je vidět, že yttrium je koncentrováno do větších částic, mezi kterými jsou větší mezery a jimi mohou dislokace snadněji proniknout. Velké částice jako je např. komplexní oxidická částice obsahující Y a V vpravo na obr. 6 jsou spíše negativní, protože při deformaci mohou prasknout a působit jako iniciátor únavové trhliny.
Kromě pevnosti je ovšem pro konstruktéry důležitá také hodnota počtu cyklů, které je schopen materiál při daném zatěžování snést. Na obr. 7 je tzv. Coffinův-Mansonův diagram, který srovnává úroveň plastické deformace v každém zatěžovacím cyklu s počtem cyklů do lomu vzorku. Je vidět, že oceli D a F mají téměř stejnou životnost, zatímco nejpevnější ocel CH praská při počtech cyklů o řád nižších. K vysvětlení tohoto chování je nutné pochopit vývoj poškození při cyklickém zatěžování, zejména určit místa vzniku únavových trhlin a změřit rychlost jejich růstu. Na obr. 8 je vidět nukleaci únavové trhliny z malého póru a její šíření přes četné hranice zrn o velikosti asi 0,5 mikrometru. Naproti tomu u oceli CH se v určitých místech vytvořila zrna o větších rozměrech (cca 3 mikrometry), které usnadňují nukleaci trhlin a urychlují jejich růst. Mohli jsme tedy kolegům ze Švýcarska doporučit úpravu technologie přípravy materiálu tak, aby nedošlo k lokálním zhrubnutím zrn. Tato změna technologie by měla prodloužit únavovou životnost jejich materiálu až desetkrát.
Vývoj nových materiálů a správný výběr z přepestré nabídky materiálů existujících ovlivňuje rozhodujícím způsobem cenu, životnost, účinnost, dopady na životní prostředí při provozu, náklady na likvidaci apod. nejen u budoucích fúzních reaktorů. Pracovní místa materiálovým vědcům navíc zajišťuje fakt, že mechanické vlastnosti materiálů jsou ovlivněny tolika vzájemně interagujícími faktory, že vlastnosti nového materiálu není možné předpovědět; musí se prostě vyzkoušet. Některé extrémní, na první pohled téměř neřešitelné požadavky na materiály při technologii řízené jaderné fúze, které jsme vám chtěli v několika příkladech ukázat, jsou velkou výzvou. I kdyby fúzní reaktory nakonec nebyly využívány pro výrobu elektrické energie, některé nově vyvinuté materiály a technologie zcela jistě najdou uplatnění v jiných oblastech.
Obrázek 4. Vývoj napětí potřebného k opakované deformaci vzorku o 0,7% v závislosti na počtu cyklů při teplotách 650 a 750 °C. |
Obrázek 5. Rovnoměrně rozptýlené oxidy yttria (bílé částice). Snímek pořízen na okraji velmi tenké fólie pomocí transmisního elektronového mikroskopu, tmavá místa jsou otvory ve fólii. |
Obrázek 6. Chemická mapa prvků Y, O a V. Yttrium není rovnoměrně rozptýlené, vyskytuje se jednak v částicích o velikosti cca 20 nm, jednak ve velkých komplexních oxidech, společně s V, někdy Ti a Cr. |
Obrázek 7. Počet cyklů do lomu vzorku v závislosti na plastické deformaci, vnucené vzorku v každém cyklu. Je vidět, že ocel CH má podstatně kratší životnost než další dvě oceli, např. pro hodnotu plastické deformace 0.02% praskne vzorek z oceli CH po 5 000 cyklech, zatímco oceli D a F po více než 25 000 cyklech. |
Obrázek 8. Nukleace únavové trhliny v póru a její šíření přes četné hranice zrn (ocel F). |
Literatura
[1] J. Mlynář: Cesta jménem ITER, Vesmír 85 (2006) 356.
[2] V. Barabash et al.: Materials challenges for ITER – Current status and future activities, J. of Nuclear Materials 367-370 (2007) 21-32.
[3] www.iter.org
[4] B. van der Schaaf et al.: The development of Eurofer reduced activation steel, Fusion Engineering and Design 69 (2003) 197-203.
Diskuze:
