Půjde to! Evropští vědci úspěšně vyzkoušeli, jak zapálit fúzi v elektrárně

Na evropském tokamaku JET, který leží v dnes „neevropské“ Británii, se podařilo prokázat platnost modelů, které se využívají v oboru jaderné fúze. Tento týden oznámené výsledky reálně naznačují, že slučování atomových jader by se tak skutečně v dohledné době mohlo stát reálně využitelným zdrojem energie.

V polovině minulého století se v pozemských laboratořích podařilo napodobit způsob, jakým si hvězdy vyrábí energii. A optimismus některých vědců neznal mezí.

Jak dnes víme, zcela naivně předpokládali, že nebude trvat dlouho a rostoucí hlad lidstva po energii budou z velké části pohánět termonukleární elektrárny. V nich mělo magnetické pole udržovat a stlačovat oblak plynu rozžhaveného na takové teploty, aby v nich docházelo za běžných podmínek nemyslitelným jevům.

Silně ohřátý plyn se totiž změnil v plazma: z obalu atomu se tedy „odtrhnou“ elektrony a plyn se „rozloží“ na soubor elektronů se záporným nábojem a kladně nabitých jader atomů. Stejně jako v jádru Slunce měly být v jádru těchto elektráren podmínky natolik extrémní, aby jádra atomů překonala čas od času svůj odpor, spojila se a do okolí uvolnila fenomenální množství energie.

Dostat tyto “malé magnety” k sobě je obvykle nemožné. Ale pokud dodáme jádrům dostatek energie (tj. zahřejeme prostředí), čas od času se k sobě mohou přiblížit na velmi malou vzdálenost. Tak malou, že až na tak malou vzdálenost, že vzájemný magnetický odpor převáží přitažlivá jaderná. A obě jádra se sloučí v jádro těžší, přičemž se uvolní energie, v principu stejně jako v nitru Slunce.

Vědci v polovině 20. století ještě netušili, že čím víc se budou snažit dosahovat vyšších parametrů plazmatu, tím víc se tomu bude plazma „bránit“. Tehdejší modely předpokládaly, že ztráty energie z plazmatu izolovaného ve vakuové nádobě pomocí silného magnetického pole budou jen malé. Mělo se za to, že energie bude „utíkat“ pouze díky srážkám jednotlivých částic a jejich postupné difúzi (posunem) napříč magnetickým polem směrem k okraji plazmatu.

Zrozen v neúspěchu, dospěl k úspěchu

Velmi brzy experimenty ovšem fúzním optimistům ukázaly, na jak velikém omylu jsou. Ukázalo se, že zvyšování teploty plazmatu pomocí dodávání energie „z venku“ je málo účinné. Vede k vyšší intenzitě turbulence a tím k rychlejšímu úniku energie z plazmatu. V důsledku tak nešlo plazma účinně zahřát na „zápalnou teplotu“, a tím spustit termonukleární reakci.

Následovaly roky frustrací a neúspěchů. Odborníci na fúzi sice stále snili, ale cesta k praktickému nasazení fúze se zdála obtížná a nejistá. To platilo i na přelomu 70. let a 80. let, kdy začala ve Velké Británii stavba velkého tokamaku JET.

Dodnes jde o největší zařízení svého druhu na světě: hlavní poloměr jeho vakuové komory, ve které magnetické pole udržuje oblak rozžhaveného plazmatu, je 2,96 metru, vedlejší pak 1,25 metru (komora je toroidální, to znamená, že má tvar nafouknuté pneumatiky). Celkový objem komory je 100 m³.

Ale ještě před spuštěním tokamaku JET v roce 1983 se nečekaně objevila naděje. V roce 1982 se německému fyzikovi Fritzi Wagnerovi a jeho kolegům totiž podařilo do značné míry vyřešit problém ztrát. V jejich tokamaku ASDEX se plazma při experimentech začalo chovat jinak, než očekávali. „Pod rukama“ jim přešlo do stavu, kdy došlo náhle k výraznému navýšení jeho teploty a hustoty v centru. „Vůbec jsme to nečekali, prostě se to stalo,“ vzpomínal Wagner o desetiletí později na objev, který obor posunul o míle vpřed.

Wagnerem objevený „H-mód“ plazmatu umožnil výrazně zvýšit výkony stávajících zařízení, včetně plánovaného JET. Zvláště, kdy se podařilo zjistit, jak se plazma do tohoto stavu dostane a jak ho dosáhnout. Náhle se zdálo, že postavit zařízení, které by opravdu mohlo vyrábět více energie, než kolik spotřebuje, není jen snem.

Zjevné bylo, že JET je na to moc malý. Vznikl ovšem projekt velkého mezinárodního reaktoru ITER. Ten měl být prvním zařízením, v jehož komoře by fúzí mělo vznikat podstatně více energie, než kolik je zapotřebí na její udržení. Poměr se trochu měnil s tím, jak se měnil projekt (zmenšoval se kvůli rozpočtu), dnes se počítá, že na každou jednotku energie, která se použije na ohřátí plazmatu, by se mělo uvolnit 10 jednotek energie ze spojování jader v zařízení.

JET na něco takového nemohl nikdy dosáhnout. Jednoduše není dost veliký – a velikost je u tokamaků klíčová. Ve větší komoře se částice paliva, tedy vodíku, mohou déle „zdržet“, a mají tedy více času najít si partnera a změnit se na helium. V menším zařízení příliš mnoho atomů paliva uteče z plazmatu ven. Doplňovaný vodík se pak musí ohřívat. To stojí spoustu energie, a tak v důsledku je spotřeba zařízení vyšší, než kolik se uvolní z fúze. Takže aby ITER mohl být „energeticky ziskovým“, musel být zároveň také největším a nejdražším fúzním reaktorem, jaký byl kdy postaven.

Na stavbu ITERu, jehož cena zřejmě přesáhne 20 miliard eur, se nakonec složilo několik desítek zemí světa, včetně České republiky. S podpisem příslušné mezinárodní dohody a začátku stavby v Cadarache na jihu Francie v roce 2007, JET získal jasný hlavní účel. V Británii stojící „Společný evropský torus“ (JET je zkratka výrazu „Joint European Torus“) slouží především jako zkušební zařízení, na kterém se mají ověřovat postupy a techniky navržené pro ITER.

Britský tokamak kvůli tomu prošel důležitou rekonstrukcí v roce 2011. Cílem bylo, aby se JET co nejvíce podobal ITERu. Změn bylo vícero. Dříve byla kupříkladu komory pro plazma (tzv. fúzní komory) z uhlíku. Uhlíková stěna má řadu příznivých vlastností, problémem je ovšem, že uhlíkové vrstvě vzniká radioaktivita a dosti ji poškozují neutrony vylétající z plazmatu. Navíc z uhlíkové stěny uvolňované atomy znečišťují plazma, a tím zhoršují jeho výkony.

JET proto v rámci modernizace dostal nové stěny komory, a to ze stejných materiálů, z jakých budou u ITERU: stěna je tak z beryllia a wolframu. Beryllium je vzácný a lehký stříbřitý kov, jenž se používá jen v některých specifických oblastech, třeba v jaderném průmyslu.

Wolfram je teplotně nesmírně odolný kov s teplotou tání 3 400 °C., se kterým se těžko pracuje. V JET se používá především na tzv. divertory, které najdete ve spodní části fúzní komory, a jde v podstatě o „výfuk“. Magnetická past v tokamacích není a nikdy nebude dokonalá a částice, které se z ní uniknou, se musí z vakuové komory tokamaku odvádět. A k tomu slouží otvor právě divertor.

Je zjevné, že divertor je ohromně tepelně namáhaný. Předpokládá se, že u elektráren budou materiály divertoru muset dlouhodobě snést tepelnou zátěž podobnou té, které by čelily na povrchu Slunce. Na to zřejmě ani wolfram nemusí stačit, a tak se dnes vyvíjejí nové metody, jak problém vyřešit. Některé se budou zkoušet i na připravovaném českém tokamaku COMPASS-U.

Z hlediska přípravy na provoz ITERu je také extrémně důležité použité palivo. JET je jediný tokamak současnosti, který prošlo administrativně i technicky složitým schvalovacím procesem na využití radioaktivní „formy“ vodíku (tedy správně izotopu) – tritia. Tato nejtěžší forma vodíku (má v jádře dva neutrony) je vzácná a obtížně se s ní zachází, ovšem pro jadernou fúzi má velmi zajímavé vlastnosti. Lze ho totiž ve stávajících fúzních zařízení „zapálit“ snáze než cokoliv jiného. Tritium by tedy (spolu s jinou „formou“ vodíku, deuteriem) mělo představovat palivo minimálně pro první generaci fúzních elektráren.

Náročné přípravy, které trvaly nakonec i kvůli pandemii déle, než se čekalo, nakonec vyústily v sérii experimentů během šesti měsíců roku 2021. Jejíž výsledky jsme se my jako veřejnost dozvěděli na tiskové konferenci 9. února 2022 (záznam je ke shlédnutí na YouTube).

Vyplývá z nich celkem jednoznačně, že současný výzkum je na správné cestě, a ITER by měl splnit to, co se od něj očekává. Cesta k využití „energie hvězd“ se zdá být náhle mnohem jistější a přímočařejší.

Co se stalo?

Během oné zmíněné šestiměsíční „kampaně“, jak se podobným sériím pokusů s podobnými parametry říká, vědci na JET uskutečnily celou řadu „výstřelů“ s do té doby nevídanými výkony. Výkon plazmatu překračoval obvykle 10 megawattů (MW). V několika případech se dokonce průměrný výkon přiblížil téměř 12 MW. Z plazmatu se totiž během pěti sekund uvolnilo celkem zhruba 59 megawattů energie.  

Pravda, na JET podařilo v minulosti dosáhnout vyššího maximálního výkonu (konkrétně to bylo 16 MW), ale v tomto případě je mnohem důležitější trvání než maximální výkon. Námi zmíněných pět sekund je z hlediska fyziky plazmatu skutečně velmi dlouhá doba. Dalo by se dokonce říci, že nečekaně blízká nekonečnu.

Pokud se totiž podaří plazma udržet v komoře pět sekund, v principu není problém udržet ho třeba pět hodin, komentoval pro novináře výsledky Radomír Pánek, ředitel pražského Ústavu fyziky plazmatu: „Klíčové je, že plazma už bylo stabilní, bylo v takzvaném stacionárním stavu.“ Zjednodušeně můžeme říci, že pokud se v JET podařilo udržet plazma několik desetin sekund, už by bylo ho možné udržet v podstatě neomezenou dobu. Tedy pokud bude fungovat magnetická past, jež rozžhavené plazma drží.

To v případě JET je bohužel nemožné. Jeho magnety jsou totiž z chlazené mědi, nejsou tedy supravodivé. Vzhledem k tomu, jak silné magnetické pole vytvářejí (v tomto případě cca 3,5 Tesla), za provozu v nich vzniká mnoho tepla. Je ho tolik, že chladicí systémy si s ním při této úrovni výkonu neporadí déle než pět sekund.

Mimochodem, ITER podle některých kritiků nevyužívá technologie supravodivých magnetů tak dobře, jak je dnes možné. Magnety z supravodivých slitin nové generace jsou základem technologie start-upu CFS, který chce ITER dosti troufale předběhnout se svým vlastním tokamakem a rychle postavit i fúzní elektrárnu.

I tak by měly systémy ITERu uchladit a udržet jeho magnety v chodu výrazně delší dobu, než třeba v případě JET. Konkrétně se počítá, že při maximální výkonu 500 MW by měl ITER být schopen udržet plazma déle než pět minut (300 sekund). V tomto režimu by právě plazma mělo vydávat desetkrát více energie, než kolik se do něj dodává.

Při sníženém výkonu 300 MW by měl ITER plazma udržet stabilní kolem hodiny. V tom případě bude „energetická návratnost“ ohřevu nižší, pouze 5:1. „Návratnost“ je v uvozovkách proto, že z ITERu se žádná elektřina vyrábět nebude, jde pořád jen o fyzikální experiment. Skutečná elektrárna bude muset mít poměr „návratnosti“ ještě výrazně vyšší, určitě někde nad 20:1, aby skutečně mohla vydělávat i finančně.

Dodejme také, že ITER by měl těchto výkonů dosáhnout až roky po své plánovaném zprovoznění v roce 2025. Dnes se počítá, že plného výkonu by měl dosáhnout o 10 let později, výsledky z JET však dávají jistou naději, že by to mohlo být i dříve. A pro to, že jsou vlastně „nudné“.

Nijak se totiž neodchýlily od očekávání. Nebylo například zcela vyloučeno, že po zapálení paliva a „rozhoření“ fúze ve větším měřítku se podmínky v plazmatu trochu nezhorší. Jak jsme totiž říkali, běžné tokamaky nepracují s tritiem a směs ve fúzní komoře vlastně „nezapálí“ (tedy fúze při běžných experimentech probíhá v zanedbatelném měřítku). Vědci se tedy trochu obávali, zda v plazmatu nezačnou kvůli vzniku fúzních částic (konkrétně alfa částic) nezačnou vznikat nějaké anomálie, které by narušily stabilitu plazmatu. Naštěstí se obavy nepotvrdily. Zdá se tedy stále jistější, že dnešní modely chování plazmatu jsou dostatečně dobré a přesné, aby dopředu předpověděly chování plazmatu i v ITERu. Možná tedy půjde harmonogram experimentů poněkud urychlit.

Vzhledem k tomu, jak důležitý tento reaktor pro celý obor je, je to skvělá zpráva. Fúzní výzkum nepotřebuje překvapení, potřebujete jistotu a předvídatelnost. Pak by už měl konečně dojít k cíli, ke kterému už zhruba 70 let zbývá „maximálně 20 let“, jak říká fousatý vtip.