Průlom v jaderné fúzi: Než bude možné fúzi využít jako čistou energii, je zapotřebí ještě desetiletí výzkumu
Americké ministerstvo energetiky oznámilo velký vědecký průlom ve vědě o jaderné Poprvé se z fúzní reakce uvolnilo více energie, než bylo použito k jejímu zapálení.
I když je tento úspěch skutečně historický, je důležité se pozastavit a zamyslet se nad tím, jakým směrem se má energie z jaderné syntézy v budoucnu ubírat.
Jsme profesoři inženýrství udržitelné a obnovitelné energie na Carleton University, kde zkoumáme alternativní energetické technologie a systémy, které nás mohou posunout k nízkouhlíkové budoucnosti.
Také učíme naše studenty, jak se orientovat ve zrádném terénu od laboratorních nálezů až po aplikace v reálném světě.
Definování hranic systému
Efektivita potenciální elektrárny využívající fúzní energii se teprve uvidí. Uváděný čistý zisk z fúze ve skutečnosti vyžadoval asi 300 megajoulů energetického vstupu, což nebylo zahrnuto do výpočtu energetického zisku. Tato energie, potřebná k napájení 192 laserů, pocházela z elektrické sítě.
Jinými slovy, experiment spotřeboval tolik energie jako typická kanadská domácnost za dva dny. Fúzní reakce přitom produkuje dostatek energie na rozsvícení pouhých 14 žárovek po dobu jedné hodiny.
Totéž platí o jaderném štěpení, což je reakce uvnitř současných jaderných elektráren. Úplné štěpení jednoho kilogramu uranu-235 – štěpné složky jaderného paliva – může vytvořit asi 77 Terajoulů. Ale nemůžeme přeměnit všechnu tuto energii na užitečné formy, jako je teplo a elektrická energie.
Místo toho musíme zkonstruovat komplexní systém, který dokáže řídit řetězovou reakci jaderného štěpení a přeměňovat generovanou energii na užitečnější formy.
To je to, co dělají jaderné elektrárny – využívají teplo generované při jaderných štěpných reakcích k výrobě páry. Tato pára pohání turbínu spojenou s generátorem elektrické energie, která vyrábí elektřinu. Celková účinnost cyklu je menší než 40 %.
Kromě toho se nespálí všechen uran v palivu. Použité palivo stále obsahuje asi 96 % celkového obsahu uranu a asi pětinu obsahu štěpného uranu-235.
Zvyšování množství uranu utraceného v naší současné flotile je možné – je to neustálá oblast práce – ale představuje to obrovské technické problémy. Obrovský energetický potenciál jaderného paliva je v současnosti zmírňován technickými problémy přeměny této energie do užitečné formy.
Od vědy k inženýrství
Až donedávna byla fúze vnímána především jako vědecký experiment, nikoli jako technická výzva. To se rychle mění a regulační orgány nyní zkoumají, jak by se nasazení mohlo vyvíjet v reálném světě.
Bez ohledu na účinnost budoucí jaderné elektrárny bude přeměna energie ze základní vědy do reálného světa vyžadovat překonání mnoha výzev.
Protože štěpení čelilo mnoha stejným výzvám jako nyní fúze, můžeme se z jeho historie hodně naučit. Štěpení také muselo přejít od vědy k inženýrství, než se komerční průmysl mohl rozjet.
Věda o energii z jaderné syntézy, stejně jako jaderné štěpení, má kořeny ve snaze vyvinout jaderné zbraně. Několik jaderných fyziků, kteří pomohli vyvinout jadernou bombu, chtělo „dokázat, že tento objev nebyl jen zbraní “.
Raná historie jaderné energetiky byla optimismem – prohlášením, že technologie pokročí a bude schopna uspokojit naši potřebu stále většího množství energie. Nakonec by se objevila fúzní energie a elektřina by se stala „příliš levnou na měření“.
Ponaučení
Co jsme se naučili za posledních 70 let od nástupu jaderné energetiky? Nejprve jsme se dozvěděli o potenciálně zničujícím riziku zablokování technologie, ke kterému dochází, když se odvětví stane závislým na konkrétním produktu nebo systému.
Dnešní lehkovodní štěpné reaktory — reaktory, které využívají normální vodu na rozdíl od vody obohacené izotopem vodíku — jsou toho příkladem. Nebyli vybráni proto, že by byli nejžádanější, ale z jiných důvodů.
Tyto faktory zahrnují vládní dotace, které upřednostňovaly tyto návrhy; zájem amerického námořnictva o vývoj menších tlakovodních reaktorů pro ponorky a hladinové válečné lodě; pokroky v technologii obohacování uranu v důsledku amerického programu jaderných zbraní; nejistoty ohledně jaderných nákladů, které vedly k předpokladu, že velké lehkovodní reaktory jsou jednoduše zvětšené verze menších
Od té doby se snažíme přejít na jiné technologie.
Za druhé, zjistili jsme, že na velikosti záleží. Výstavba velkých reaktorů na jednotku kapacity stojí více než menší bloky. Jinými slovy, inženýři nepochopili koncept úspor z rozsahu a odsoudili svůj průmysl k zániku.
Velké infrastrukturní projekty jsou extrémně složité systémy, které spoléhají na obrovské pracovní síly a koordinaci. Lze je spravovat, ale obvykle překračují rozpočet a zaostávají za plánem. Modulární technologie vykazují lepší cenovou dostupnost, kontrolu nákladů a úspory, ale ekonomicky náročné budou také mikro a malé jaderné reaktory.
Za třetí, pro fúzi je třeba vyvinout regulační režimy. Pokud se průmysl příliš rychle spojí kolem návrhu první generace, důsledky pro regulaci budoucích reaktorů by mohly být vážné.
Za čtvrté, klíčový je výběr lokalit pro nové elektrárny a jejich přijetí společností.
Výzva k akci
Náš výzkum inovací v oblasti jaderné energie odhaluje, že výzvy, kterým jaderná fúze čelí, lze překonat, vyžadují však obezřetné vedení, desetiletí výzkumu, značné částky finančních prostředků a zaměření na vývoj technologií.
Na pokrok v technologii jaderného štěpení jsou potřeba miliardy dolarů a se štěpením máme mnohem více zkušeností než s fúzí. Touhu po financování musí prokázat vlády, energetické společnosti a podnikatelé.
Příslib společnosti Fusion je obrovský a na jeho pokroku mimo tento nedávný průlom se odvádí vzrušující práce, včetně soukromých společností . Aby mohla fúze smysluplně přispět k našemu energetickému systému, jsou zapotřebí desítky let výzkumu a vývoje.
Naším ústředním poselstvím je výzva k akci: fúzní inženýři, výzkumní pracovníci, průmysl a vláda se musí zorganizovat, aby prozkoumali a zmírnili výzvy, kterým fúze čelí, včetně návrhu první generace elektráren.
Pokud chceme zachránit naši planetu před klimatickou katastrofou, neexistuje žádná náhrada za hlubokou a rychlou dekarbonizaci energetického systému. Jsme hrdí na to, že školíme další generaci energetických inženýrů, aby navrhovali nová a lepší energetická řešení.
