02. 02. 2023
|
emovio.cz logo

První světlo nebo jen bludička? Start-up zkouší zcela nový přístup k fúzi

Experimentální zařízení společnosti First Light Fusion nazvané jednoduše M3 (Machine3) (foot First Light Fusion)
Experimentální zařízení společnosti First Light Fusion nazvané jednoduše M3 (Machine3) (foot First Light Fusion)

Malá britská společnost světu oznámila, že dosáhla unikátního výsledku v oboru jaderné fúze. I když má skutečně zajímavé nápady a představy, v tomto případě však především jen dokázala, že papír snese vše.

Po přečtení titulku tiskového prohlášení start-upu First Light Fusion bude asi většina fanoušku techniky mít chuť zajásat. Firma slibuje „první fúzní výsledek svého druhu“, až by si čtenář mohl myslet, že současné trable s energiemi a jejich cenami jsou konečně vyřešené. Skutečnost je ovšem poněkud jiná: byť jde o interesantní firmu, „průlom“, o kterém se v textu hovoří, by každý soudný pozorovatel v tomto případě definoval jinak.

Jádro tiskového prohlášení je jednoduché. First Light postavila malé, čistě pokusné zařízení pro výzkum a vývoj jaderné fúze. Anglická státní agentura UKEA pak ověřila, že skutečně v jeho jádru dochází ke slučování jader – a tedy uvolňování energie.

Vtip je ovšem v tom, že podobných zařízení jsou na světě určitě stovky, možná tisíce. Většina z nich bude mít o mnoho řádů lepší parametry než malý experiment britského start-upu. Zmíněná UKEA během experimentu zachytila doslova několik málo desítek fúzních neutronů. Praktický význam takového zařízení je nulový.

Zajímavý je v tomto případě pouze budoucí potenciál. Tak co „První světlo“ slibuje?

Britský výhonek

Společnost First Light Fusion vznikla v roce 2011 jako spin-off na půdě Oxfordské univerzity. V roce 2015 získala od investorů 35 milionů dolarů. V dalším kole financování (série C, tedy třetí kolo) letos v únoru pak dosáhla na dalších 45 milionů dolarů, tedy zhruba miliardu korun.  

Jejím cílem je vytvořit zařízení, které bude pracovat na principu tzv. inerciální fúze. Více o něm můžete najít v boxu o kousek níže, v tuto chvíli je důležité, že jde o princip dnes poměrně málo prozkoumaný. Větší naděje na úspěch se přikládají tzv. magnetickému udržení.

Takové reaktory jsou vlastně výkonné elektromagnetické pasti, ve kterých silná pole udržují extrémní podmínky s výrazně vyššími teplotami než v nitru Slunce (zato menším tlakem). Pouze v takovém prostřeí totiž jádra atomů alespoň občas překonají vzájemný odpor a mohou se spojit.

V případě inerciální fúze je princip trochu složitější. V podstatě jde o zařízení, které funguje jako spalovací motor. Ve speciální komoře se „zapálí“ palivová peleta (či „terčík“), přičemž zapálení probíhá nějakou extrémní metodou. V případě amerického zařízení NIF například terčík prakticky najednou zasáhne 192 silných laserů, které ho ohřejí na několik milionů stupňů. Okamžitě ho tedy odpaří za vzniku silné rázové vlny, takže prostředí připomíná střed hvězdy.

NIF podává celkem zajímavé výkony, ale jde o velmi nepraktické, extrémně komplikované a drahé zařízení, které k fúzní elektrárně má tak daleko jako měsíční vozítko k sériově vyráběnému autu. Zapálení terčíku v něm probíhá po řadě upgradů a vylepšení maximálně jednou za několik hodin. V hypotetické elektrárně by měl probíhat jednou za několik sekund; First Light například hovoří o pěti.

Tým společnosti First Light tvrdí, že se mu podaří celou řadu nectností inerciální fúze vyřešit. Místo komplikované, drahé a také dosti neefektivní soustavy laserů chce terč vystřelovat do cíle elektromagnetickým dělem.

Jde vlastně o řízenou srážku. Při každém „zážehu“ se do komory spustí terčík, do kterého se pak systém má trefit dalším „projektilem“. Projektil se má pohybovat maximální rychlostí 6,5 kilometrů za sekundu. Po nárazu do terče díky jeho speciální konstrukci dojde k urychlení částí projektilu až na rychlost kolem 70 kilometrů za sekundu. V daném místě mají tlaky a teploty být tak extrémní, že může ve větším měřítku docházet ke slučování jader. Peleta je samozřejmě dokonale zničena, ale do okolí se uvolní sprška neutronů, které nesou velké množství energie. .

Termoska nebo spalovací motor?

V současné době existují dva hlavní způsoby, kterými se vědci snaží ovládnout jadernou fúzi: magnetické a inerciální udržení.

Při magnetickém udržení jde o dosažení ustálených podmínek fúzního hoření a o zapálení mluvíme, pokud ohřev plazmatu stačí k stálému udržení extrémní teploty.

Inerciální fúze vychází ze stejného obecného principu, na jakém funguje vodíková bomba – palivo je zahřáto tak rychle, že dosáhne podmínek potřebných k zapálení fúze a začne hořet předtím, než se rozletí. Setrvačnost (inerce) paliva zabraňuje jeho okamžitému úniku. Důležité však je, že množství paliva musí být mnohem menší než v případě vodíkové bomby, aby energie jednotlivé „exploze“ nezničila okolní prostředí. Objem paliva je také omezen tím, kolik energie dokážeme dodat, aby se palivo dostatečně rychle zahřálo.

Omezení množství paliva lze teoreticky vypočítat. Typické hodnoty energie uvolněné každou malou explozí by tak měly dosahovat řádově stovek milionů joulů. Pro srovnání, jeden kilogram benzínu obsahuje zhruba 40 milionů joulů, takže každá exploze by odpovídala spálení několika kilogramů benzínu. K uvolnění takového množství energie ale stačí jen několik miligramů směsi deuteria a tritia, a to díky jejímu mnohem většímu energetickému obsahu. Toto množství má v pevném skupenství podobu malé kuličky o poloměru pouhých několika milimetrů a odborně se nazývá terčík, případně peleta.

Palivové pelety je však třeba ohřát a stlačit do stavu, který panuje ve středu Slunce, tohoto přírodního fúzního reaktoru. Jakmile je těchto podmínek dosaženo, fúzní reakce uvolní několik částic, včetně částic „alfa“, které interagují s okolní plazmou a dále ji zahřívají. Zahřátá plazma pak uvolňuje více a více částic alfa a rozbíhá se řetězová reakce – proces označovaný jako zapalování.

To bude hračka!

Za nutnou podmínku dosažení inerciální fúze se vždy považovala extrémní přesnost při výrobě pelet a stejně extrémní přesnost při zásahu terče. Jinak si těžko představit, že by se dalo dosáhnout podmínek nutných pro dosažení takového tlaku a teploty, aby mohla v terči s dostatečnou pravděpodobností probíhat jaderná fúze.

Šéf společnosti Nick Hawker novinářům tvrdí, že díky konstrukci terče není nutné „trefovat“ se projektilem extrémně přesně. Což by zase mohlo zjednodušit praktické problémy spojené se stavbou celého reaktoru, a tedy snížit náklady na samotné zařízení, tak i nezbytný výzkum a vývoj. V daném případě neplatí přímá úměra: i poměrně malý pokles složitosti může vést k výraznému sníženi náročnosti konstrukce. Jak řekl Hawker: „Vždycky musíte mít na paměti, že tu věc bude třeba postavit“.

Neutrony s vysokými energiemi, které při reakci vznikají, představují pro konstruktéry fúzních zařízení jeden veliký problém: způsobují křehnutí materiálu, tedy stěn komory. V případě komerčního reaktoru by to mohlo vést k velmi častým odstávkám, které samozřejmě ovlivní cenu vyrobené energie. Elektrárna, která často stojí a u které je nutné měnit části klíčového zařízení, se může vyplatit jen těžko.

First Light se rozhodla problém vyřešit radikálně – komora má tekuté stěny. V podstatě si prostor jejího hypotetického reaktorů můžete představte jako velkou válcovou komoru, ve které kolem prázdného prostoru ve středu (místu, kde dochází k reakci) padá k zemi clona z tekutého kovu. Dole pod komorou je bazén na sběr tekutého kovu, ze kterého se bude materiál znovu čerpat vzhůru, a znovu vypouštět do fúzní komory.

Jak by měla fúzní elektrárna společnosti First Light nakonec vypadat, přibližuje následující video:

Šéf First Light Nick Hawker i další představitelé společnosti pro média zdůrazňují, že reaktory využívající tekutého kovu nejsou úplnou technologickou novinkou, byť o nich většina veřejnosti neví. Netýká se to fúzních zařízení, nýbrž štěpných reaktorů. Sodík místo vody obíhá například vnitřkem ruského reaktoru BD-800 a používal se třeba i ve francouzském reaktoru Superphénix (který byl ovšem z praktického hlediska mimořádně nepodařenou konstrukci).

V případě First Light by ovšem neměl v reaktorech být sodík, nýbrž lithium. Důvod je velmi praktický: při bombardování lithia neutrony by vznikalo tritium, tedy izotop vodíku se dvěma neutrony v jádře (normální vodík nemá žádný neutron, izotop zvaný deuterium jeden, takže tritium je z nich nejtěžší).

Tritium je velmi vhodné palivo pro jadernou fúzi, protože žádné jiné nelze „zapálit“ jednodušeji (konkrétně ve směsi s deuteriem, tedy o něco lehčím izotopem vodíku). Má své praktické nevýhody, třeba to, že se poměrně rychle rozpadá (má poločas rozpadu cca 12 let), takže v přírodě se téměř nevyskytuje. Protože ovšem hlavním problémem současných fúzních postupů je vůbec vytvořit podmínky pro to, aby fúze probíhala v dostatečně velkém měřítku, výhody tritia převažují nad nevýhodami.

Britský start-up tvrdí, že v jeho reaktoru by mělo během provozu z lithia vznikat dost tritia na to, aby elektrárna mohla plynule pracovat. Podle simulací by měl proces být natolik účinný, aby nebylo nutné přírodní lithium obohacovat, tedy uměle v něm zvyšovat podíl izotopu lithium-6. Tento mezikrok by mohl dodávky lithia značně prodražit a zkomplikovat. Lithium 6 je totiž kontrolovaný prvek, který se používá pro výrobu termonukleárních zbraní.

Od procesu k elektrárně

Konstrukční filozofie First Light minimálně na papíře zní velmi rozumně a pochopitelně. Hawker o reaktoru říká, že se společnost se snaží, „aby byl co nejnudnější“. V podstatě to znamená, že až na samotný proces fúze by měly všechny další části elektrárny tvořit známá a osvědčená technologie.

Úplně klasickou elektrárnu ovšem First Light nenabízí. Z lithiového „vodopádu“ se tepelným výměníkem mát dostat do druhého tepelného okruhu elektrárny, v němž koluje roztavená sůl. A teprve z toho sekundárního okruhu teplo putuje do posledního parního okruhu elektrárny s běžnou turbínou.

Díky solnému okruhu je přenos tepla o méně účinný, než by byl bez něj. Část tepla se při přeměně navíc prostě „ztratí“. Ale podle britské firmy má svůj smysl. Zaprvé umožňuje flexibilitu. Roztavená sůl může fungovat jako velký tepelný zásobník. Do něj elektrárna může sáhnout, když je v síti nedostatek energie (a ceny elektřiny jsou vysoké). V tu chvíli by elektrárna měla mít možnost pracovat na o něco vyšší výkon, než by měl být výkon samotného fúzního reaktoru. Naopak v situaci, kdy je elektřiny dostatek (a její cena nízko), může si za provozu „střádat“ teplo na pozdější využití.

Za druhé, roztavená sůl představuje pojistku. Kdyby se v lithiovém „vodopádu“ vznikající lithium dostalo přímo k okruhu s turbínou, náprava by byla velmi drahá a obtížná. Pokud by množství tritia nebylo opravdu stopové, hrozila by celková kontaminace okruhu a zařízení na něm připojených. Sůl by měla posloužit jako „past“ na tritium, a tak volba konkrétní sloučeniny bud záležet i na tom, jak dobré bude mít vlastnosti v tomto ohledu. „Potřebujeme zjistit, ve které z roztavených solí se tritium nejhůře rozpouští. Zatím nevíme, která to je,“ řekl Hawker před časem pro časopis Nuclear Engineering.

Okruh navíc brání také průniku samotného lithia do parního okruhu. Jeho kontakt s kyslíkem je přitom velmi nežádoucí, protože tento lehký kov velmi dobře hoří. Což ostatně díky rozšíření lithiových baterií všichni dobře víme.

Představa o samotné elektrárně je taková, že jejím jádrem bude reaktorová nádoba s průměrem asi 5-7 metrů, která se podobou nebude příliš lišit od nádoby dnešních štěpných reaktorů. V této nádobě se bude nacházet lithiová clona i samotný prostor, kde bude docházet k fúzi.

Kolem nádoby budou „poměrně velká“ čerpadla zajišťující cirkulaci lithia, tepelné výměníky a systém odstraňování nečistot z lithiového okruhu. Nějakým způsobem bude také nutné odstraňovat zbytky zničených pelet, které budou padat do lithiové jímky.

V některých místech (například pro lithiový okruh) bude zapotřebí vybudovat odpovídající radiologickou ochranu. Budova nemusí obsahovat bezpečnostní lapač na roztavený materiál, jaký mají štěpné reaktory. Musí se ovšem počítat s jinými riziky, například vznícením lithia. A pro případ narušení prvního či druhého okruhu bude muset být zkonstruována tak, aby nedošlo k úniku tritia. Celkově podle dnešních odhadů Firs Light bude fúzní elektrárna o výkonu 300 MW vyžadovat plochu dost podobnou tomu, jakou má obdobně velká uhelná elektrárna.

Konstruktéři uvažují o životnosti zhruba 30-40 let. Každý pět sekund by se mělo při fúzi materiálu v terčích uvolnit zhruba 1000 MW tepelné energie. Po započtení všech nákladů na udržení provozu a nevyhnutelných ztrát by se čistá výroba provozu měla pohybovat kolem 300-350 MW elektrické energie. Jde tedy o zařízení, které svými rozměry a výkony odpovídá dnešním elektrárnám. Pro všechny účastníky trhu, investory či konstrukční a stavební společnosti by tedy mohl být takový provoz minimálně „povědomý“.

Společnost First Light tvrdí, že jejím cílem je dosáhnout výrobních cen kolem 60-70 USD/MWh, tedy zhruba 1200-1500 Kč/MWh. Plán je (alespoň zatím) takový, že společnost nebudou konkurovat v první řadě cenou. Nechce tedy soutěžit třeba s neřiditelnými obnovitelnými zdroje energie, jako je fotovoltaika či větrné elektrárny.

Cílem je nahradit spíše flexibilní energetické zdroje, které dnes využívají fosilní paliva. V evropském či americkém kontextu to znamenalo nejspíše s plynovými zdroji nebo s uhelnými elektrárnami nové generace, které by byly vybaveny systémem na zachycování a ukládání uhlíku (CCS). Samozřejmě, vše bude záviset na zatím velmi nejasném dalším vývoji trhu s plynem v Evropě. First Light nedávno uvedlo, že by v každém případě chtělo být levnější než fosilní elektrárny s CCS.

Podle šéfa First Light se nabízí celá řada technicky a fyzikálně zajímavých možností, jak zvýšit účinnost celého procesu, ale to je v rozporu s „nudnou“ filozofií společností. „Důvodem mnoha rozhodnutí při návrhu reaktoru je snaha vytvořit ‚první prototyp‘ s minimálním technickým rizikem a finanční náročností,“ shrnul Hawker.

Ani to není nijak jednoduché. Stejně jako řada jiných start-upů (a prakticky všechny fúzní začínající firmy) First Light sliboval a stále slibuje velmi rychlý pokrok, své sliby ohledně harmonogramu ovšem pak neplní. Demonstraci fúzní reakce ve svém zařízením slibovala již v roce 2019 (šéf a zakladatel společnosti Nick Hawker tehdy řekl: „Podle simulací se nám to podaří ještě letos.“).

Zpoždění bylo tedy více než dva roky. A to nebyl přitom zdaleka nejtěžší úkol, který před First Light stojí. Zachytit pár desítek fúzních neutronů je z hlediska oboru dnes triviální úkol. Postavit skutečno fúzní elektrárnu nezvládl nikdo.  

Spojením k energii

  • Jaderná či nukleární fúze je typ jaderné reakce, při které dochází ke slučování atomových jader lehčích prvků v jádra těžších prvků a zároveň k uvolnění energie. Termojaderná fúze probíhající za vysokých teplot je zdrojem energie většiny hvězd včetně Slunce. Jaderná fúze je v principu opakem štěpení jader těžkých prvků.
  • Proti slučování jader působí odpudivá elektrická interakce (obě jádra jsou kladně nabitá). Dostanou-li se však lehká jádra dostatečně blízko k sobě, aby překonala Coulombovu bariéru, převládne nad elektrickou silou přitažlivá jaderná síla a obě jádra se sloučí. Rozdíl mezi klidovými hmotnostmi jader před a po sloučení se uvolní ve formě energie.
  • Jedním ze způsobů, jak může fúze probíhat, je působení vysoké teploty a tlaku, kdy do sebe jádra mohou narazit s dostatečnou energií k překonání coulombovské bariéry. V tom případě mluvíme o termonukleární fúzi.
  • V jádru Slunce a dalších menších hvězd hlavní posloupnosti probíhá takzvaný proton-protonový cyklus, kdy se slučují samotné protony (jádra vodíku) na helium. U větších hvězd ke stejné proměně dochází cyklem C-N-O.
  • Ve starších hvězdách dále dochází k 3-alfa reakci, kdy se protonovým cyklem vytvořené helium přeměňuje na uhlík. Ve větších hvězdách pak fúzemi vznikají i další prvky jako je neon, kyslík nebo křemík. Nejtěžší prvek vznikající ve hvězdách termonukleární fúzí je železo, které má příliš silné vazby (fúze energii neprodukuje, ale spotřebovává) a při jeho nahromadění dochází ke gravitačnímu kolapsu a explozi supernovy. Těžší prvky ve vesmíru vznikají jinými typy nukleosyntézy, například při této explozi.
  • Snaha po využití jaderné fúze jako zdroj energie je předmětem bádání, jehož cílem je vytvořit fúzní reaktor. K tomuto zkoumání slouží zejména tokamaky a stelarátory.
  • Jednorázovou jadernou fúzní reakci není těžké vyvolat (lze jí dosáhnout např. elektrickým výbojem[1]), je ale obtížné udržet ji v reaktoru po delší dobu a zajistit kladnou bilanci získané energie ku dodané.
  • Reakce teoreticky použitelná pro výrobu energie na Zemi je syntéza deuteria a tritia: D + T4He + n
  • Deuterium je v přírodě běžně se vyskytující izotop vodíku. Ve svém jádře obsahuje jeden proton a jeden neutron. Tritium je izotop vodíku, který oproti deuteriu obsahuje ještě jeden neutron navíc. Vyskytuje se velmi vzácně, protože jeho poločas rozpadu je 12 let.

Podobné články

2 komentáře

  1. Božínku – i cvičený oranguran by si to měl po sobě alespoň přečíst —tolik chib (úmyslná chybička) v překopírovaném článku se jen tak nevidí !!!!

    1. Děkujeme za upozornění, text jsem ještě prošel a chyby odstranil. Vám i ostatním čtenářům se za ně omlouváme.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Oblíbené články

Témata