V jaderných reaktorech vzniká energie štěpením jader uranu. Fúzní reaktory mají vyrábět energii naopak slučováním jader vodíku na helium - stejně jako Slunce a další hvězdy. Což takhle spojit oba principy dohromady?
Jak štěpné, tak fúzní reaktory mají svoje nedostatky. U prvních je to otázka bezpečnosti a vysoce aktivního vyhořelého paliva, u druhých především dosud nezvládnutá technologie. Na stavbu pokusného fúzního reaktoru - tokamaku ITER ve francouzském Cadarache spojily síly hlavní světové velmoci od Evropy přes USA a Rusko po Čínu a Japonsko. Jde o druhý nejdražší projekt současného výzkumu (hned po Mezinárodní kosmické stanici), rozpočet přesáhne deset miliard eur. Přesto bude během nejbližších 20 let výsledkem jen demonstrační zařízení, které nám ukáže, zda vůbec fúzi dokážeme technicky zvládnout. S elektrárnou, která by v praxi vyráběla víc energie, než sama spotřebuje, se nepočítá dřív než za 40 let.
Co kdybychom společně využili výhod štěpení a fúze a postavili hybridní reaktor, který by oba přístupy kombinoval? S touto otázkou přišla nedávno britsko-americká dvojice fyziků Julian Hunt a Graham O’Connor na stránkách časopisu New Scientist. Jádro reaktoru by tvořil menší fúzní reaktor. Jeho účelem by nebylo vyrábět energii, ale jen neutrony, které by ostřelovaly obal reaktoru, jehož stěny by byly pokryty štěpným materiálem.
Žrout jaderného odpadu?
Nejde o novou myšlenku, poprvé se o ní zmínil už nositel Nobelovy ceny a spoluautor tokamaku Andrej Sacharov v 50. letech minulého století. Zůstalo ale jen u slov. V posledních letech se ale diskuse o hybridním reaktoru vracejí.
Za hlavní výhodu považují jeho zastánci možnost používat přírodní (neobohacený) uran a thorium - tedy prvky, kterých je na světě k dispozici mnohem víc než štěpného izotopu uranu 235, ale především také vyhořelé palivo z jaderných reaktorů. Získala by se z něj další energie a navíc by odpadl problém s jeho dlouhodobým ukládáním, protože poločasy rozpadu složek radioaktivního odpadu by se zkrátily z desítek tisíc let na několik desítek let a nutnost bezpečného skladování by se tak zkrátila na pár staletí.
Podle oponentů ale totéž dokážou i nové štěpné reaktory, jejichž vývoj je oproti hybridům mnohem dál. „Na světě je dnes více než 400 jaderných energetických reaktorů a přibližně 50 z nich dokáže spalovat i směsné uran-plutoniové palivo, které se připravuje přepracováním paliva vyhořelého,“ podotýká Jan Uhlíř z Ústavu jaderného výzkumu v Řeži. Dnešní reaktory mohou bez zásadní rekonstrukce spalovat až 30 procent směsného paliva, ale pracuje se na vývoji tzv. štěpných reaktorů 4. generace, které mají fungovat v uzavřeném cyklu a palivo recyklovat prakticky na sto procent. Tím se zároveň zvýší účinnost reaktorů, ty dnešní z paliva využívají jen asi čtyři procenta uranu.
Malý a bezpečný - alespoň na papíře Další výhodou hybridů je ovšem podle New Scientistu jejich bezpečnost. Na rozdíl od štěpných reaktorů v nich nikdy nebude nadkritické množství paliva, takže nehrozí tzv. meltdown, roztavení kritické zóny.
„V tokamaku se udržuje horké plazma, které je podmínkou pro fúzi, v podobě velice řídkého plynu v magnetickém poli. Jakmile se tak řídký plyn dotkne stěny, okamžitě vychladne. Tím se ztratí podmínky pro fúzi a reaktor se okamžitě odstaví,“ vysvětluje Jan Mlynář z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Na druhou stranu by podle jeho slov hybridní systém vyžadoval přísný dohled, protože by se v něm teoreticky daly vyrábět štěpné materiály využitelné i v jaderných zbraních.
Za další plus považují Hunt s O’Connorem fakt, že by pro hybridní zařízení stačil menší tokamak, než vyžaduje samotná čistá fúze. Zatímco ITER bude pouze demonstračním systémem, fúzní elektrárna by v praxi musela mít zhruba třikrát větší objem. Pro hybridní systém by postačila velikost, jakou má ITER.
„Ale i jeho stavba bude na hranici našich současných technologických možností,“ krotí optimismus zahraničních kolegů Jan Mlynář. „Fúzní reaktor bude konstruován nejjednodušším možným způsobem, aby se vůbec podařilo ho postavit a spolehlivě provozovat. Představa, že do jeho obalu budeme vkládat štěpný materiál, neřku-li vyhořelé palivo, které je vysoce radioaktivní a může se s ním manipulovat jen pomocí robotů, se mi jeví jako obrovská komplikace,“ uvažuje český expert. Kromě toho má podle něj samotná fúze, přinejmenším v Evropě, jednoznačnou politickou výhodu - nemá nic společného se štěpením.
V zelené Evropě to neprojde Několik amerických institucí, například Texaská univerzita v Austinu, se v posledních letech začalo konceptem hybridních reaktorů zabývat - byť zatím na teoretické úrovni. Nedávno se o nich zmiňoval také americký ministr energetiky Steven Chu. Čína chce dokonce do roku 2020 postavit prototyp hybridního reaktoru. Co na to Evropa?
„Ztotožňuji se s názorem, který teď v Evropě panuje, že se máme nadále soustředit na vývoj čistě fúzního reaktoru. Podporovat z veřejných peněz štěpný průmysl by v řadě zemí neprošlo kvůli veřejnému mínění,“ říká Jan Mlynář.
Stavba prototypu hybridního reaktoru by přitom vyžadovala miliardové mezinárodní investice.
„To by se musely jednotlivé státy dohodnout a k tomu je přiměje jedině nutnost nebo dostatečná atraktivita - a obojí v případě hybridního systému chybí,“ podotýká Jan Uhlíř. „V principu proti výzkumu hybridních reaktorů nic nemám, ale zkrátka nejsou na pořadu dne. Pokud jde o zpracování vyhořelého paliva i potenciálního zdroje energie, k praxi mají mnohem blíž štěpné reaktory 4. generace, na jejichž vývoji úspěšně pracuje i náš ústav,“ říká.
Čína se nebojí do riskantního vývoje investovat a na odborné úrovni úzce spolupracuje s americkými experty.
Nejdřív ITER, pak se uvidí Podle Jana Mlynáře je situace v Číně jednodušší také proto, že se na rozdíl od Evropy zatím tolik nezabývá otázkami nešíření jaderných zbraní ani tím, jak nové experimentální štěpné zařízení přijme veřejnost. Evropě tedy nezbývá než se vydat pomalejší cestou. „Myšlence hybridních reaktorů se v principu nebráním, ale ještě pro ně neuzrála správná doba. Nejprve se musíme soustředit na ITER. Až nám ukáže, zda fúze v praxi funguje, máme na výběr ze dvou možností: buď postavit větší, čistě fúzní elektrárnu, nebo zkusit postavit hybridní reaktor. Ale klíčové výsledky z ITERu budeme mít až za patnáct dvacet let,“ upozorňuje Jan Mlynář. Čína tak sice získá jistý náskok, ale ani ona nebude v té době disponovat v praxi užitečným hybridním zařízením - to, na čem začíná pracovat, je jen relativně malý experiment.
„Tak to ve výzkumu chodí skoro vždycky. Na akademické půdě se jakýkoliv nový systém jeví jako jednoduchý, elegantní, levný, bezpečný a rychle realizovatelný. Na půdě inženýrského vývoje je pak ten samý systém složitý, drahý, jeho realizace trvá dlouho a má spoustu zádrhelů,“ shrnuje Jan Uhlíř.
