Je jaderná fúze obnovitelný zdroj energie?
Podle úředního rozhodnutí fúzní energie není obnovitelný zdroj. Tímto rozhodnutím je pominuta základní fyzikální realita a stav do jisté míry připomíná inkvizici, protože si někteří lidé činí nárok nadřazovat svůj názor nad logiku i přírodu. Tento článek navazuje na komentář Jaderná fúze není obnovitelný zdroj energie k článku Elektřina z fúze (I) a poukazuje na možnou příčinu negativního postoje k jaderné fúzi, kterou je neznalost tohoto rodícího se sektoru energetiky.
Článek nevyšel jako recenzovaný, protože jeden z recenzentů vyjádřil jednoznačný názor, že fúze není obnovitelný zdroj.
Článek nevyjadřuje názor redakce TZB-info.
Jaderná fúze – základ přírody
Vznik chemických prvků
Ne všem je známo, že jaderná fúze tvoří jeden ze základů přírody a celého vesmíru. Jaderná fúze probíhala a probíhá ve všech hvězdách, uvolňuje pro celý vesmír životodárnou energii a vyrábí nejrůznější chemické prvky nutné pro život. Jedna z hvězd – naše Slunce je základním předpokladem života na Zemi. Bez jeho tepla z jaderné fúze by byla Země studeným mrtvým tělesem.
Díky jaderné fúzi existuje vesmír v podobě, v jaké jej známe, protože právě jaderná fúze umožnila vznik chemických prvků postupným slučováním lehčích atomových jader. Bez jaderné fúze by neexistovaly hvězdy a vesmír by byl zcela tmavý, zaplněný mrtvými planetami, černými trpaslíky, neutronovými a kvarkovými hvězdami, černými dírami a temnou hmotou.
Pro účel tohoto článku pomineme kosmologickou roli jaderné fúze. Celý život na Zemi závisí na světelné a tepelné energii Slunce, která také pochází z jaderné fúze. Ve Slunečním jádru dochází ke slučování lehkých atomových jader a tím k uvolňování energie. Uvolňování energie v našem Slunci je založeno na proton-protonovém fúzním cyklu:
2D + 1H → 3He + γ + energie
3He + 3He → 4He + 2 1H + energie
Proton-protonový cyklus jaderné fúze, probíhající v jádru Slunce
Při proton-protonovém cyklu dochází ke slučování jader vodíku za vzniku jader helia a díky uvolňování energie při tomto slučování Slunce svítí a hřeje.
Jakmile bude ve slunečním jádře sloučen všechen vodík, začne se slunce měnit. Dojde k jeho gravitačnímu zhroucení, zapálení jaderné fúze ve středních vrstvách slunce, slunce expanduje do červeného obra a nakonec se smrští do bílého trpaslíka. V období červeného obra Slunce pravděpodobně pohltí i Zemi, takže závislost lidstva na jaderné fúzi Slunce je doslova fatální. Naštěstí je Slunce dostatečně velké a množství vodíku vystačí ještě na přibližně 5 miliard let.
Antropogenní hledisko
Z hlediska historie lidstva a činnosti člověka jde o zcela člověku přirozený energetický tok. Sluneční energie ohřívala člověka a jeho předky ještě před vynálezem ohně.
Jde také o člověkem nevyčerpatelný zdroj. Délka existence tohoto zdroje mnohonásobně překračuje délku celé existence lidstva a jeho energetická kapacita překračuje veškeré racionální úvahy o budoucí spotřebě energie lidskou populací. Jaderná fúze zásobuje energií celý vesmír, jehož je lidstvo pouze zcela zanedbatelnou částí.
Obnovitelné zdroje podle úřední definice
Výborným popisem současného úředního stavu je dříve poukazovaná prezentace Renewable vs. Non-renewable energy IAEA. Definice obnovitelných zdrojů je následující:
„Obnovitelné přírodní zdroje mají schopnost se při postupném spotřebovávání částečně nebo úplně obnovovat, a to samy nebo za přispění člověka. Neobnovitelné přírodní zdroje spotřebováváním zanikají.“ (Zákon č. 17/1992 Sb. o životním prostředí, §7 odst. 2)
„Obnovitelná energie je energie získaná ze zdrojů, které jsou v podstatě nevyčerpatelné (na rozdíl například od fosilních paliv, kterých je omezená zásoba). Obnovitelné zdroje energie zahrnují dřevo, odpad, zemské teplo, vítr, fotovoltaickou a tepelnou sluneční energii.“ (Renewable vs. Non-renewable energy IAEA, Example 1, překlad autor článku)
„Obnovitelné zdroje energie jsou všechny z antropogenního hlediska přirozené energetické toky, které jsou nevyčerpatelné (tj. obnovitelné): sluneční záření, vodní, větrná a geotermální energie, energie vln a přílivová energie, a biomasa.“ (Renewable vs. Non-renewable energy IAEA, Renewable energy in Europe, překlad autor článku)
Uvedené definice jsou jasné, ale neúplné, protože fúzní energie plně vyhovuje všem stanoveným požadavkům, a přesto není uvedena ani v jednom výpisu:
- Fúzní energie je z antropogenního hlediska přirozený a nevyčerpatelný energetický tok (jak bylo popsáno výše).
- Sluneční záření je pouze projevem fúzní reakce. Uvedené obnovitelné zdroje jsou na fúzní energii částečně nebo zcela závislé.
Protože si tohoto nedostatku byli autoři druhé uvedené definice vědomi, doplnili následující upřesnění, které jmenovitě stanovuje fúzní zdroj jako nevyhovující:
„Nevyhovují všechny zdroje energie, které známe v rámci definovaného systému (Země) a jsou konečné, a fúzní zdroj, technicky neobnovitelný zdroj, ačkoliv by mohl být považován za prakticky nevyčerpatelný.“ (Renewable vs. Non-renewable energy IAEA, Example 1, překlad autor článku)
Bez ohledu na přírodu a fakta, ad hoc úředním rozhodnutím je fúzní energie stanovena jako neobnovitelný zdroj.
Většina obnovitelných zdrojů pouze přeměňuje energii jaderné fúze, probíhající na Slunci
Kde obnovitelné zdroje berou energii?
Většina úředně definovaných obnovitelných zdrojů přímo či nepřímo získává energii ze slunečního záření. Fotovoltaická a solární tepelná energie jsou na slunečním záření závislé přímo. Vodní a větrná energie souvisí s přírodními procesy, vyvolanými ohřevem povrchu Země a atmosféry slunečním zářením. Fotovoltaická, solární tepelná, vodní a větrná energie jsou ve skutečnosti sluneční energií z jaderné fúze.
Budou se obnovitelné zdroje obnovovat po vyhasnutí Slunce?
Tvrzení, že není fúzní energie obnovitelný zdroj, avšak sluneční záření ano, ignoruje nejen fyziku, ale i princip příčinnosti. Kdokoliv pochybuje, může si odpovědět na jednoduchou otázku, co se stane s obnovitelnými zdroji, až vyhasne Slunce. Budou se dál obnovovat? Všichni víme, že ne. Všechny obnovitelné zdroje jsou obnovitelné jen natolik, nakolik je obnovitelná jaderná fúze.
Doplňování paliva
Z antropogenního hlediska je tok fúzní energie zcela přirozený a nevyčerpatelný stejně jako uznané obnovitelné zdroje.
To se plně týká i jaderné fúze ve fúzních reaktorech. Jakmile je mezi obnovitelné zdroje úředním rozhodnutím začleněna biomasa, není naprosto žádný rozdíl mezi dopravováním biomasy a dopravováním vody do zařízení vyrábějícího teplo a elektřinu. Biomasu je potřeba dopravit do spalovacího zařízení stejně jako vodu do fúzního reaktoru. Z vody je potřeba extrahovat deuterium stejně jako z biomasy je potřeba vyrobit biopalivo.
Zdroje fúzní energie
Někteří odborníci se snaží chybnost úředního rozhodnutí bagatelizovat tvrzením, že je fúzní energie pouze teoretický koncept, nikoliv reálný zdroj energie. Tento postoj ale není o nic lepší než kritizované úřední rozhodnutí – stačí za jasného dne vyjít ven, zvednout hlavu a zamyslet se, zda je Slunce skutečně pouze teoretický koncept.
Fúzní energie je reálný a funkční zdroj energie jak na hvězdách, tak na Zemi:
- Fúzní energie je energetický zdroj slunce, je funkční již několik miliard let, je nezbytnou podmínku našeho života a rozhodně není pouze teoretický koncept. Fúzní energie na slunci je také zdrojem energie pro většinu obnovitelných zdrojů.
- Fúzní reaktor JET ve Velké Británii již mnoho let produkuje fúzní energii. V roce 1997 dosáhl tepelného výkonu 16 MW, což je mnohem více, než produkují mnohé obnovitelné zdroje. Jen obtížně lze kolos o váze 3500 tun, který v roce 1984 pokřtila královna Alžběta II., považovat za teoretický koncept.
V případě reaktoru JET šlo o experimentální zařízení a výkon, potřebný pro ohřev plazmatu, byl vyšší než produkovaný výkon. Nyní se ale staví fúzní reaktor ITER o tepelném výkonu 400 MW při vnějším ohřevu pouze 40 MW. O významu reaktoru ITER svědčí skutečnost, že se na výstavbě reaktoru přímo podílí polovina celého světa – země, účastnící se projektu ITER, zahrnují více než polovinu lidské populace a produkují 80 % celosvětového HDP.
Panická hrůza ze všeho jaderného
Je zřejmé, že důvodem ad hoc zařazení fúzní energie mezi neobnovitelné zdroje není logika, ani zdravý rozum ani přírodě blízké myšlení. Příznivci zelené politiky obvykle chápou přírodu jako přirozený celek. V přírodě má jaderná fúze nezastupitelné místo. Jen díky ní vypadá vesmír tak, jak jej známe.
Jediným důvodem nesmyslného zařazení fúzní energie je panický strach některých ekologů a úředníků z čehokoliv jaderného. Jakmile je něco jaderné, pak je to špatné. Bohužel jim jejich nedostatečné znalosti nebo protijaderný fanatismus neumožňují přiznat, že je na fúzní energii již od počátku své existence závislá celá lidská populace.
Jaderné rozdíly
Negativní postoj části populace k jaderné energetice, založené na štěpných reaktorech, lze pochopit. Pro lidstvo není tolik podstatná dosažená velmi vysoká spolehlivost jaderných elektráren, ale skutečnost, že k jaderným haváriím může z principu dojít a následky těchto havárií mohou být vysoké.
Bohužel si řada odborníků a velká část veřejnosti neuvědomuje principiální bezpečnostní rozdíl mezi štěpnou energií a fúzní energií.
Ve fúzních reaktorech totiž naopak k jaderné havárii nemůže z principu nikdy dojít. Pokud by tomu tak nebylo, celý vesmír by pravděpodobně již dávno explodoval. Podmínky fúzní reakce jsou natolik náročné, že k ní může dojít pouze ve speciálních situacích – například ve hvězdách, v urychlovačích nebo fúzních reaktorech. Sebemenší narušení podmínek jadernou fúzi utlumí a zastaví.
Navíc se bude v každém okamžiku ve fúzním reaktoru nacházet jen zanedbatelné množství paliva, které při libovolné poruše neškodně dopadne na stěnu reaktoru. Cílové fúzní reaktory budou vyrábět energii pouze z vody nebo z různých lehkých prvků. Odpadem výroby energie bude pouze helium, které je na Zemi nedostatkové a použitelné v řadě lidských činností. Využití deuteriové fúze s pomalými neutrony významně sníží také sekundární radioaktivitu konstrukce reaktoru, bezneutronová fúze sekundární radioaktivitu zcela vyloučí.
Bezpečnost fúzních reaktorů
Zásadní bezpečnostní rozdíly mezi stávajícími jadernými reaktory a fúzními reaktory jsou:
- Ve fúzních reaktorech je z principu vyloučena nekontrolovaná řetězová jaderná reakce.
- Jako palivo bude sloužit pouze izotop vodíku deuterium, získávaný z vody, případně další lehké prvky, např. vodík, helium nebo bór.
(V první fázi bude nutné z technologických důvodů používat jako součást paliva druhý izotop vodíku tritium. Jde ale pouze o dočasnou potřebu než technologie umožní slučovat pouze jádra deuteria.) - Ve fúzním reaktoru bude v každém okamžiku velice malé množství paliva. Za celý den spálí fúzní reaktor o výkonu jako reaktor v Temelíně zhruba 2 kg paliva.
- Produktem fúzní reakce bude vždy pouze neškodné hélium, fúzní reakcí nevznikají žádné radioaktivní produkty.
- Konstrukce fúzního reaktoru bude sestavena z nízkoaktivovatelných materiálů a umožní snížit sekundární aktivaci materiálů konstrukce. Cílové fúzní reaktory budou využívat fúzní reakce s pomalými neutrony nebo bezneutronové fúzní reakce, které aktivaci konstrukce zcela minimalizují.
Fúzní reaktory budou spalovat vodík nebo jiné dostupné lehké prvky, nebudou produkovat jaderný odpad a jaderná katastrofa nebude z principu možná. Půjde o zcela bezpečné a čisté zdroje energie o neomezeném výkonu. Fúzní energie bude nejšetrnější energetický zdroj pro životní prostředí i přírodu v celé historii lidstva a představuje z ekologického hlediska nejlepší volbu budoucí energetiky.
Závěr
Fúzní energie plně vyhovuje definici pro obnovitelné zdroje energie. Úřední ad hoc neuznání fúzní energie jako obnovitelného zdroje nemá žádnou oporu ve faktech ani v přírodě. Možným důvodem tohoto ad hoc rozhodnutí je nekvalifikovaný paušální negativní postoj k jaderným technologiím, který nerozlišuje mezi štěpnými a fúzními jadernými technologiemi.
Po recenzích a rozsáhlé diskusi s redakcí portálu autor článek doplnil zde .
prof. Ing. Dr. Josef Kott, DrSc.
Posuzovaný článek se zaměřil tématicky na definiční otázku, zda-li je fuzní enegetický systém provozně obnovitelný, ano nebo ne. Nejprve je nutné říci, že je od autora příkladné, že tyto otázky otevírá, protože, ač jsou předpisově a zákonně definovány, přesto nejsou zcela z hlediska procesů v přírodě a zásob látek na Zemi jednoznačné.
O co se vlastně jedná?
Příroda, jak autor uvádí, získává miliardy let energii uvolňovanou ve hvězdách právě těmi fyzikálními procesy, které my nazýváme fuzními, kdy se lehká atomová jádra za určitých energetických podmínek slučují na težší za uvolnění velkého množství pohybové energie z jaderné reakce vystupujících částic. To umíme popsat a pochopit od 30. let minulého století.
Pokud chceme nasimulovat takového podmínky také na naší zemi, v zařízení, ve fuzním reaktoru, musíme dosáhnout obdobných fyzikálních podmínek jako jsou ve všech existujících hvězdách, tedy vysokých teplot a tlaků prostředí pro vyvolání kontinuální fuzní jaderné reakce.
Tyto podmínky se dosud nepodařilo lidstvu technologicky namodelovat tak, aby se mohly jaderné fuzní reakce rozběhnout a udržet. Snažíme se těchto podmínek dosáhnout i když v nedávné minulosti se u několika ověřovacích projektů, jako jsou JET, TFTR nebo JT 60U, podařilo dosahnot jejich reálného přiblížení, to jest zahájení fyzikálního stavu přiblížení vzniku a udržení plynulého fuzního procesu. To si nakonec slibujeme od dalšího tvořícího se projektu ITER v Cadarachi.
Důležitou otázkou v těchto projektech je produkce uměle provozem vznikajících parazitních radioaktivních látek, které nás tak trápí u dneska již klasické štěpné jaderné energetiky.
U fuzní jaderné energetiky bude tato situace nepoměrně jednodušší a méně škodlivě zasahující do životního prostředí. Provozní látky vstupující do fuzního reraktoru nebudou nikdy radioaktivní a také výstupní produkty s výjimkou tricia s emisí elektronu a s krátkým poločasem rozpadu budou také výstupující látky neradioaktivní na rozdíl od štěpné energetiky. Radioaktivním se provozem stane pouze vlastní konstrukce reaktorového zařízení vznikající působením netronového toku z fuzních jaderných reakcí. Projektová životnost fuzního reaktoru se předpokládá kolem 50 roků . Poté bude reaktorové zařízení roboty rozebráno a uloženo do stíněných bunkrů a trvala uloženo na dobu kolem 100 roku, než indukovaná radioaktivita poklesne na přijatelnou mez. U štěpné jaderné energetiky se rozpadnou v porovnání vysoce radioaktivní štěpné produkty až za 10000 roků.
S určitou produkcí radioaktivních látek navíc oproti minulosti bude muset lidstvo pro svojí enormní energetickou náročnost umět žít.
U fuzních zařízení budou vždy jako palivo používány lehké izotopy, z počátku zejména deuterium spolu s litiem, obě látky na Zemi existují v konečném množství a nelze je žádným vnějším zásahem obnovovat. Přesto, že na Zemi je v oceánech ohromné množství molekul vody, je to číslo konečné stejně je tomu u litia, kterého máme jistě na několik desítek tisíc let, je počet atomů litia na Zemi konečný a tudíž neobnovitelný.
Jsou tedy vstupní látky pro fuzní energetiku na Zemi konečné a proto správně neobnovitelné.
S úctou Josef Kott (určitě nejsem inkvizitor)
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Recenzní posudek na článek Ing. S. Entlera „Je jaderná fúze obnovitelný zdroj energie?“
RNDr. Jan Mlynář, Ph.D.
Článek je po odborné stránce korektní, fundovaný a psaný s velkým zaujetím. Podrobně je v něm vysvětleno, proč autor považuje definici pojmu „obnovitelný zdroj“ za nevhodnou, a to na konkrétním příkladu jaderné fúze. Jedná se o reakci na článek ing. B. Bechníka „Jaderná fúze není obnovitelný zdroj energie“. Není sporu o tom, že jaderná fúze je primárním zdrojem pro naprostou většinu energetických toků, které na Zemi využíváme jako obnovitelné. Mezi diskutujícími autory ovšem zřejmě nepanuje shoda v tom, jak má být chápán antropocentrický“ nebo „antropogenní“ pohled na energii a je dokonce pravděpodobné, že jde o určitý střet celých myšlenkových škol. Je Slunce součástí našeho světa, nebo není? Lze vymezit dělicí čáru mezi přírodním a technickým zdrojem energie? Kéž by přitom šlo jen o odtažitou akademickou diskusi, jak se to může zdát. Ve skutečnosti se na základě podobně šroubovaných definic již dnes rozhoduje o tom, který potenciální zdroj energie získá v dlouhodobých strategických plánech výraznější místo, a který bude upozaděn. Stejnou roli účelového slovíčkaření tak hraje i požadavek na odklad posuzování udržitelnosti perspektivních jaderných zdrojů na základě toho, že dosud nebylo demonstrováno úplné technické řešení. Zde musím konstatovat, že udržitelné technické řešení pro zásobování trhu převážně z intermitentních zdrojů je přinejmenším stejně odvážnou a na dobu vývoje náročnou vizí, jakou je třeba průmyslové zvládnutí termojaderné fúze. V této rovině diskuse ovšem uniká podstata problému, a sice to, že rizika v realizaci dlouhodobých vizí lze rozptýlit jedině tím, že se pokusíme být otevření všem možnostem. Energetiku s vysokou pravděpodobností čekají velké, z historického hlediska skokové změny. Možná, že je naší jedinou nadějí mix udržitelných zdrojů, v horším případě ani ten nebude stačit a budeme muset usilovně hledat i jinde. Dnes jsme z neuvěřitelných 85% závislí na fosilních zdrojích a globální spotřeba uhlí každým dnem narůstá. Na výzkum potenciálně udržitelných zdrojů energie jde dál jen směšné necelé procento obratu energetických firem, zlomek toho, kolik jde třeba na vývoj automobilů. Nesnažme se proto při vývoji udržitelných zdrojů vyřadit spoluhráče, když je soupeř v přesile. Článek rozhodně doporučuji ke zveřejnění v naději, že přispěje ke vzájemnému porozumění.
RNDr. Jan Mlynář, Ph.D.Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i.
According to an official decision the fusion energy is not a renewable energy source. This ad hoc decision ignores the basic physical reality and the condition to some extent reminds the inquisition, because some people impose their opinion as superior to the logic and nature itself. This article points out a possible cause of negative attitudes towards nuclear fusion, and to all nuclear sources without knowledge of the facts.