Termonukleární fúze (zkratka TF) je proces, při kterém se slučují jádra za vysokých teplot či tlaků. Při této reakci dochází k zániku hmoty a vzniku velkého množství energie, které je ekvivalentní právě úbytku hmoty. Tento způsob získání energie je vesvé podstatě úžasný, oproti jaderným štěpným reakcím je totiž asi 4x účinnější, i když z Einsteinova vzorce E=mc² to představuje stále jen 1/3% veškeré potenciální energie obsažené v jakékoli látce, ale to v žádném případě není málo, protože vzhledem kúčinnosti tepelných uhelných elektráren je to vskutku enormní zisk – pro orientaci asi osm milionkrát větší.

Další klady – je to absolutně „zelené“, ekologové mohou nesouhlasně vrtět hlavou, ale jen kvůli onomu slovo jádro, protože při TF nevzniká žádný radioaktivní odpad. Uranové rudy je jen omezené množství, zatímco paliva pro TF je neomezeně – ptáte se, jak je to možné? Štěpné reaktory fungují na principu štěpení uranu 235, který musí projít složitým procesem obohacování z uranu 238, ale TF má neomezené zásoby v mořské vodě – ano, dá se říct, že svým způsobem by byl termonukleární reaktor poháněn „vodou“. Jakto?

Roli hraje také těžká voda

Pro termonukleární fúzi existuje dlouhá řada využitelných reakcí, vědci si však nejvíce slibují z reakce deuteria s tritiem. Deuterium, obecně nazýváno těžký vodík, je stabilní izotop vodíku nepodléhající radioaktivní přeměně. V chemii bývá označován písmenem D, i když se nejedná o samostatný prvek, přesněji lze vyjádřit jako ²H, tedy vodík, který má v atomovém1jádře nejen proton, ale na rozdíl od obyčejného vodíku i neutron. Ve sloučenině s kyslíkem tvoří těžkou vodu D₂O. Deuteria je tedy prakticky neomezené množství, v mořské vodě připadá jedna molekula deuteria na 6500 molekul vodíku.

Tritium, obecně nazýváno supertěžký vodík, je již radioaktivní izotop vodíku. V chemii se s ním můžete setkat pod značkou T, ale podobně jakou deuteria lze přesněji zapsat jako ¹³H.Ve sloučenině s kyslíkem tvoří tritiovou vodu T₂O. V atomovém jádře jsou dva neutrony a jeden proton. Tritium je radioaktivní, má poločas rozpadu T=12,32 let, je to β zářič, při rozpadu vyzařuje elektron a neutrino (pozn.redakce neplést s neutronem, neutrino je elementární částice z rodiny leptonů). Nyní, po představení reaktantů, k samotné reakci deuteria s tritiem.

Jak vidno, při této reakci vzniká Helium s energií 3,5 Mega-elektronvoltu a jeden volný neutron s energií 14,1MeV.  Elektronvolt je jednotka práce a energie, často užívaná v kvantové fyzice, definována jako energie, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím 1 voltu. Pro převod na Joule platí vztah: 1 eV = 1,60217648740×10¹⁹ J.

Bohužel, problémem je právě tritium, jeho nedostatek v přírodě – počítá se v kilogramech a v neposlední řadě také fakt, že je jedovaté. Z toho, že je toxické, si sice lidé těžkou hlavu nedělají, pokud byste nevěděli, jaký materiál se používá na to krásné zelené podsvícení ručiček u hodinek, tak zajisté uhodnete správně, že se jedná o tritium. Také se používá na výrobu zaměřovačů pro automatické střelné zbraně, vydává typicky zelené světlo. Tedy problematika deuteria tkví jen v jeho množství – i na to však zná věda odpověď. Přesněji, vědci jsou schopni vyrobit tritium reakcí neutronu s Lithiem, což popisuje následující reakce:

Následuje celková energetická bilance:

Reakce T + D probíhá docela snadno. Jen to tritium... Určitě Vás napadlo, jestli by nefungovala reakce D + D? Samozřejmě, fungovala, ona dokonce funguje, ale oproti reakci D + T probíhá docela obtížně...

Jenže, bohužel je v tom háček. Vědcům se ještě nepodařilo přijít na způsob, jak tuto reakci udržet a řídit po příkladu jaderných štěpných elektráren. Neřízenou T. reakci se vědcům dávno provést povedlo, výsledkem byla vodíková bomba, ještě mnohem ničivější než jaderná štěpná hlavice. To však lidstvu mnoho neprospělo.

Problém je asi takový: Výše zmíněná Coulombova potenciálová bariéra způsobuje, že dvě stejně nabité částice se nemohou k sobě přiblížit na vzdálenost, kdy se uplatní krátkodosahové jaderné síly, což způsobí T.F., dokud nebudou mít určitou energii. Například, pokud byste chtěli „usmažit" dva protony, museli byste jim dodat energii 400 keV.

K dodání takového množství energie musíte látku zahřát a to docela hodně – až do plasmového skupenství, které se vyznačuje úplným oddělením atomového jádra od elektronového obalu – přesněji tedy zahřát na teplotu alespoň 150 000 000 až 200 000 000 Kelvinů. Takovéto pokusy se dějí ve výzkumných zařízeních zvaných tokamaky.

Na této skutečnosti je však paradoxní, že naše Slunce, ve kterém právě termonukleární reakce probíhá, nedodává elektronům dostatečné množství energie ke slučování. Tak jak to, že zde T.F. může probíhat? Vysvětlením je, že rychlost protonů v protonovém plynu se řídí Maxwellovým rozdělovacím zákonem, a tak některé protony mohou mít až o dva nebo o tři řády větší rychlost, než je rychlost nejpravděpodobnější (v molekulové fyzice je rychlost částic přímo úměrná jejich teplotě). Druhým důvodem je, že i když je kinetická energie protonů nižší, než výška potenciálové bariéry, mohou ji protony překonávat díky kvantovému tunelovému jevu (KTJ – představte si Coulombovu potenciálovou bariéru jako vysokou zeď, kterou musí proton „přeskočit", aby se sloučil s druhým protonem).

Díky kvantovému tunelovému jevu však může proton projít skrze tuto zeď jakýmsi tunelem. Proto například Slunce vyzařuje pomalu a průběžně. Kdyby neexistovaly dva výše jmenované děje, na Slunci by neprobíhala T.F., a naopak, kdyby Slunce mělo dostatek energie k překonání C P Bariéry, vyzářilo by svou energii téměř okamžitě. Ani v jednom z obou případů bychom zde na Zemi asi dlouho nepobyli.

Nyní zpět k tokamakům. Jsou to zařízení, ve kterých se studuje plasma. Mají jakési jádro – vakuovou komoru, ve které je plasma. Jelikož však neexistuje materiál odolný vůči teplotě 5*108 Kelvinů, je tato komora vybavena dvěma magnetickými poli – jedno je toroidální, druhé poloidální – toroidální je pole kolem plasmatu, poloidální protéká skrze plasmu – tato pole se sčítají a vytvářejí magnetické šroubovice.

Na výše uvedenou teplotu se látka dostává díky výkonnému laseru, který urychlí částice a tím dojde ke zvýšení teploty. Problémem však je, že vědcům se zatím nepodařilo dlouhodobě udržet látku v plasmovém skupenství, protože plasma má snahu z pole uniknout. Když vzroste elektrický proud nebo hustota nad mezní hodnotu, dochází k jevu zvanému DISRUPCE – vyhasnutí. Překonat tento jev by teprve mělo vést k platnému využití T.F.

V současnosti se je ve výstavbě nový, největší a nejmodernější tokamak ITER(international thermonuclear experimental reactor) u francouzského města Cadarache – jeho vakuová komora má projektovaný objem 840 m³ a vážit má o něco málo více, než Eiffelova věž, kolem 8000 tun. Tokamak má být dostavěn v roce 2019, vědci doufají, že do roku 2040 by již mohli postavit první termonukleární elektrárnu, předtím však ještě její demoverzi. Plánovaný výkon by se měl pohybovat kolem 500 MW při zážezích plasma na dobu 500 sekund. Palivem pro tento reaktor bude 0,5 gramu směsi tritia s deuteriem. Jedná se o druhý nejdražší mezinárodní vědecký projekt – náklady asi 10 mld. €.