Start-up Avalanche Energy tvrdí, že do pěti let by mohl dostat do vesmíru zařízení, které ještě nikdy nefungovalo ani na Zemi: energeticky „ziskový“ fúzní reaktor.

Když se zhruba v polovině minulého století v pozemských laboratořích podařilo napodobit způsob, jakým si hvězdy vyrábí energii, optimismus některých vědců neznal mezí. Předpokládali, že rostoucí hlad lidstva po energii brzy dokážou nasytit elektrárny, ve kterých se budou slučovat jádra prvků podobně jako v nitru hvězd.

Divoké naděje, které část odborné komunity chovala, se ovšem ukázaly jako neopodstatněné. Přesto se znovu a znovu objevovaly hlasy, že využít jaderné fúze pro energetické účely vlastně není tak komplikované a brzy bude dosaženo. Veřejnost tyto epizody naočkovaly značnou mírou skepse (do takové míry, že ani neoceňuje, že skutečně jsme relativně blízko úspěchu).

I přes opakovaná a čestná zklamání v různé fúzní proroky se stále objevují velmi optimistické sliby, a zájemci o tuto problematiku se opakovaně sami sebe musí ptát: může to být tentokrát jinak? Jeden takový případ se objevil nedávno ve Spojených státech, kde je fúzní start-upová scéna dnes nejživější.

Americké ministerstvo obrany totiž v květnu tohoto roku oznámilo schválení financování pro vývoj dvou nových „jaderných pohonů“ pro vesmírná plavidla. Projekt by měl vyústit v praktickou zkoušku daného zařízení na palubě družice kolem Země v roce 2027. A jedno z těch zařízení by mělo být kupodivu fúzní.

Fúze na stole?

Princip jaderné fúze je dnes dobře znám. Ovšem, že všechny dosavadní vážně míněné pokusy o využití fúze jako energie počítají s velmi složitými – a také velmi velikými – zařízeními. Jinak si dnes reálně nedokáže většina fyziků představit, jak v zařízení vyrobit více energie, než samo potřebuje k udržení podmínek pro fúzi.

Zařízení Orbitron společnosti Avalanche by se však teoreticky mělo vejít na stůl. Má pracovat na principu tzv. inerciální elektrostatické fúze. Na té se pracovalo v USA i v bývalém Sovětském svazu už v 50. letech, avšak většina týmů tento princip brzy opustila jako nepříliš slibný.

Druhý vítěz

Druhý vítěz zmíněného vojenského kontraktu k otázce jaderného pohonu pro pohon družic přistoupil mnohem konzervativněji. Je jím společnost Ultra Safe Nuclear, která chce vylepšit dlouho známý a používaný zdroj pro družice. Její systém nazývaný EmberCore vyrábí elektřinu z tepla produkovaného rozpadem radioaktivních materiálů. Takzvané „radioizotopové generátory“ se ve vesmíru používají již desítky let. Byly napřiklad na palubách misí Apollo. Díky takovému generátoru sondy Voyager dodnes alespoň částečně fungují a komunikují se Zemí i po 45 letech. Nové zařízení má být prostě v řadě ohledů „lepší“: především účinnější, a tedy i potenciálně výkonnější.

Stejně jako jiná fúzní zařízení je i toto tedy jakási „past“ na nabité částice s velkou energií. V nejjednodušší podobě se skládá ze dvou obvykle téměř kulovitých mřížek, z nichž jedna je nabitá kladně, druhá záporně. V prostoru mezi nimi a v nich krouží nabité částice (elektrony a ionty). Elektromagnetická pole částice urychlují a ty se pak uvnitř vnitřní mřížky sráží. Částice nakonec z pasti uniknou, ale některé z nich se srazí s další částicí za uvolnění energie.

Problém principu byl vždycky v nízké účinnosti. Ionty totiž z „pasti“ rychle uniknou. A pokud se srazí s jinou částicí, mnohem častěji se od sebe prostě odrazí a k fúzi (a tedy uvolnění energie) nedojde. Pokud po takové „bouračce“ nevyletí z pasti, přijdou o svou energii (která se jim musela dodat předtím ze „zásuvky“) a tím ztratí i svůj tzv. fúzní potenciál. To znamená, že už prostě nemají dost energie na to, aby při další srážce vůbec mohlo k fúzi dojít.

Co to znamená? Že podobná zařízení mnohem více energie spotřebují, než vyrobí. Využívají se například jako zdroj částic (neutronů) s určitými vlastnostmi, k výrobě energie jsou ovšem úplně nevhodná. Celková energie proudu vznikajících neutronů bývá obvykle řádově deseti- až stotisíc krát menší než příkon, který si zařízení bere ze sítě.

My to zvládneme

Avalanche Energy údajně má řešení. Jde o patentové postavené na práci fyzika Toma McGuirea, který na tomto fúzním principu pracoval v první dekádě 21. století na univerzitě MIT. Experimentoval s různými podobami oněch nabitých mřížek, které tvoří „past“ na nabité částice.

V simulacích přitom přišel na zajímavé nové konfigurace. S některými by se mohla údajně velmi prodloužit čas, po který je možné částice v pasti udržet. A to prý až tisíckrát proti obvyklým hodnotám. Čím delší dobu částice v reaktoru stráví, tím spíše může dojít k úspěšné srážce a a k uvolnění energie (tady zjednodušujeme, nejde pouze o čas).

McGuierovy simulace tedy došly k závěru, že optimalizace tvaru elektrod povede k výraznému zvýšení účinnost. Dalším zlepšovákem má být doplnění magnetických cívek okolo „pasti“. Jimi produkované magnetické pole má dále zakřivit dráhy nabitých částic, a znovu prodloužit dobu udržení částic v zařízení.

Mimochodem, McGuire se už sice nevěnuje konkrétně této problematice, ale u fúze zůstal. Je zaměstnán ve vývojové divizi společnosti Lockheed Martin, kde připravuje vlastní koncept jiného fúzního zařízení. V roce 2014 firma o něm v tiskové zprávě prohlásila, že bude k dispozici do deseti let.

Ale vraťme se k jeho starší práci. Podle McGuirových výpočtů tato vylepšení neměla stačit na stavbu fúzního reaktoru, který by vyráběl více energie, než spotřebuje, ale má to být podstatný krok vpřed. Účinnost by se měla zvednout údajně o několik řádů, takže potenciální „elektrárna“ už by neměla být daleko.

Dílko mladého fyzika přitáhla pozornost dvou tehdejších zaměstnanců společnosti Blue Origin, která je v majetku zakladatele Amazonu Jeffa Bezosa a vyvíjí prostředky pro něj rakety a kosmické lodě. Langtryho a Riordana myšlenka nadchla a zhruba před čtyřmi lety si založili společnost Avalanche Energy jako svůj koníček při zaměstnání. V minulém roce, tedy v roce 2021, z Blue Origin odešli a začali se věnovat svému fúznímu projektu naplno.

O společnosti ovšem prakticky nikdo nevěděl, byla de facto neviditelná. Svou existenci začala inzerovat v březnu 2022, kdy měla 10 zaměstnanců a pět milionů dolarů od investorů, kteří v posledních letech výroby elektřiny z fúze až nečekaně věří. Oficiálně ovšem Avalanche Energy stále sídlí v rodinném domu v Seattlu, všiml si časopis IEEE Spectrum.

Termoska nebo spalovací motor?

Zařízení společnosti Avalanche Energy má pracovat na jiném principu, než se kterým pracuje většina dnešních zařízení pro jadernou fúzi. Jedničkou mezi současnými přístupy je tzv. magnetické udržení, na (poměrně vzdáleném) druhém místě je pak princip inerciálního tzv. udržení.

Při magnetickém udržení jde o dosažení ustálených podmínek fúzního hoření a o zapálení mluvíme, pokud ohřev plazmatu stačí k stálému udržení extrémní teploty. Nejčastějším reaktorem tohoto typu jsou tzv. tokamaky, které se staví již zhruba 70 let, a na celém světě jich vzniklo větších či menších cca 250. Patří mezi ně i plánovaný mezinárodní reaktor ITER, který má poprvé skutečně předvést „zizkovou fúzi“, tedy v jehož komoře má vznikat více energie, než se bude spotřebovávat na ohřev plazmatu.

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.

Záření a jiné nepříjemnosti

Langtry a Riordan mají podanou patentovou přihlášku, ve které lze najít alespoň základní informace o principu fungování jejich Orbitronu. Text popisuje reaktor s velikostí řádově desítek centimetrů, ve kterém po eliptické dráze kolem vnitřní elektrody obíhá svazek nabitých částic.

Zařízení má mít ještě výrazně lepší parametry, než mělo v simulací McGuierovo řešení. Podle patentoví přihlášky má „palivo“ – tedy do systému dodávané ionty – zůstat v pasti řádově jednotky sekund, než vyletí ven. Simulace publikované na základě jeho prací pro MIT hovořily o udržení maximálně řádově na desetiny sekundy.

Cílem společnosti je údajně produkovat malé fúzní „bloky“ s výkonem 5 až 15 kilowattů, které by fungovaly buď samostatně, případně by se daly skládat do velkých zdrojů s výkonem třeba i megawattů. Vzhledem k tomu, že cílem amerického vládního projektu je pohon pro kosmické prostředky, pro jeho zadavatele jsou nepochybně zajímavější především menší zdroje. Samozřejmě, pokud by to náhodou fungovalo, zájemců se najde určitě více, a i na velká zařízení by nejspíše došlo.

Ale případní uživatelé musí počítat s jednou nepříjemnou vlastností: podobný fúzní reaktor není během provozu úplně „čistý“. V závislosti na tom, jaké palivo využívá v něm může vznikat různé množství částic s vysokými energiemi (rychlých neutronů), které postupně ničí materiály reaktoru a případně i v jeho okolí, pokud není dobře odstíněný. Kolik takových části je, se může lišit podle použité směsi, ovšem bohužel ta, se kterou je fúze nejjednodušší (kombinace deuteria a tritia), v tomto ohledu není bohužel nejpříznivější.

Zařízení by také produkovalo i další záření včetně nebezpečného rentgenového. Bude vznikat, či spíše vznikalo by, během nevyhnutelných vzájemných srážek iontů paliva, tak během jejich kolizí se samotnou konstrukcí reaktoru. Takže nějaké stínění bude asi nutné. Je ovšem otázkou, zda vesmírná plavidla si ho mohou hmotnostně dovolit.

Navíc rozhodně nebude mít neomezený rozpočet. Protože jde o vojenský projekt, přesná výše podpory nebyla oznámena, na základě jiných případů lze očekávat, že půjde o relativně nízké prostředky, řádově do jednotek milionů dolarů. Že by to mohlo stačit na vyřešení problému, se kterými fúzní fyzici neví rady dlouhé desítky let se nám nechce věřit.

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.

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.

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.

Schéma tokamaku (foto Entler a kol.)
Schéma tokamaku (foto Entler a kol.)

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.

Kompozitní snímek komory tokamaku JET. Levá polovina je "v běhu" s plazmatem, v právi části je nasvícený vnitřek komory během vypnutí (foto UKAEA
Kompozitní snímek komory tokamaku JET. Levá polovina je „v běhu“ s plazmatem, v právi části je nasvícený vnitřek komory během vypnutí (foto UKAEA

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.

Divertor u dna plazmové komory tokamaku COMPASS v pražském Ústavu fyziky plazmatu (foto IPP)
Divertor u dna plazmové komory tokamaku COMPASS v pražském Ústavu fyziky plazmatu (foto IPP)

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.

Konstrukční plán sedmipatrové budovy tokamaku ITER. Asi chápete, proč se o něm hovoří jako o nejsložitějším vědeckém projektu všech doba (foto ITER Organization)
Konstrukční plán sedmipatrové budovy tokamaku ITER. Asi chápete, proč se o něm hovoří jako o nejsložitějším vědeckém projektu všech doba (foto ITER Organization)

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.  

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.

Zhruba 40 miliard korun vložili v novém investičním kole firmy i jednotlivci do společnosti CFS. Ta chce vyvinout a postavit malý fúzní reaktor. Otázkou, zda není až moc malý.

Bill Gates, Google i George Soros se sešli u velmi netradiční investice. Tři slavná jména (a celá řada dalších, méně známých) vložili peníze do firmy Commonwealth Fusion Systems (CFS), která vznikla při proslulé technické univerzitě MIT. Společnost slibuje během příštích necelých 20 let uvést do provozu zařízení vyrábějící elektřinu pomocí procesu, který pohání všechny hvězdy: slučování atomových jader, čili jaderné fúze (konkrétně termojaderné fúze, čili fúze za vysokých teplot a tlaku).

V nedávno uzavřeném investičním kole získala CFS od investorů celkem 1,8 miliardy dolarů, tedy cca 40 miliard korun. To je na start-upové poměry skutečně fantastický úspěch. Zvláště když vezmeme v potaz, že samotná firma slovy svých představitelů varuje, že nejde o rychle návratnou investici. Má se údajně jednat o investici dlouhodobou.

Investory mohla snad přesvědčit fantastická návratnost v případě úspěchu. CFS (a obecně obor řízené termojaderné fúze) slibují čistý a v podstatě nevyčerpatelný zdroj energie. (Přesnější popis principu fúze najdete v boxu na konci článku.)

Znovu, ale lépe

CFS k problému přistupuje poměrně tradičním způsobem. Počítá s tím, že její zařízení budou využívat osvědčeného principu fúzního reaktoru známého jako tokamak. Tokamaků bylo za posledních 70 let postaveno cca 250 kusů. V podstatě jde o „magnetickou past“ na extrémně rozžhavené plazma (přes 100 milionů stupňů).

Klíčovou, byť ne jedinou inovací společnosti CFS má být zvládnutí využití nové generace supravodivých magnetů. To má umožnit vytvořit účinnější past na plazma, tak má pomoci velmi výrazně snížit náklady na stavbu celého fúzního zařízení, potažmo elektrárny.

CFS chce používat k výrobě magnetů využívat keramické sloučeniny známé jako YBCO (oxid mědi s ytriem a baryem, odtud zkratka), která se označuje jako „vysokoteplotní supravodič“. Znamená to tedy, za vhodných teplot dokáže vést elektrický proud zcela beze ztrát. Pro fúzní inženýry je důležitější, že elektromagnety z takového materiálu se jednou „zapnou“ a měly by teoreticky fungovat po neomezeně dlouhou dobu, pokud tedy funguje chlazení. V praxi takové magnety býtvají u tokamaků „zapnuté“ týdny bez vnějších dodávek energie.

Použití supravodičů je pro případné elektrárny klíčové. Na udržení plazmatu jsou zapotřebí velmi silné a velké magnety, a kdyby jejich provoz vyžadoval neustále dodávky energie, bylo by těžké vůbec nějakou fúzní elektrárnu postavit. Byl by to spíše velký fúzní „spotřebič“.

Drtivý většina známých supravodivých materiálů si tuto extrémně zajímavou a potenciálně velmi užitečnou vlastnost zachovává pouze za velmi nízkých teplot kolem absolutní nuly. Přízvisko „vysokoteplotní“ tedy v případě YBCO může znít laikovi poněkud směšně: materiál si svou supravodivost zachovává při teplotách maximálně kolem -179°C. Jako „vysokou“ by takovou teplotu označil opravdu málokdo. Z hlediska praktického nasazení je to ovšem proti jiným supravodičům opravdu velká výhoda.

Společnost CFS spoléhá při zvládnutí jaderné fúze na novou generaci supravodivých magnetů. Toto je první, který dosahuje rozměrů nutných pro stavbu jejího prvního demonstračního zařízení (foto CFS)
Společnost CFS spoléhá při zvládnutí jaderné fúze na novou generaci supravodivých magnetů. Toto je první, který dosahuje rozměrů nutných pro stavbu jejího prvního demonstračního zařízení (foto CFS)

Magnety z YBCO je totiž možné chladit kapalným dusíkem, a není již zapotřebí velmi drahého a složitého chlazení kapalným héliem na teploty jednotek Kelvinů. Oněch několik desítek stupňů navíc je z praktického hliediska veliký rozdíl. S takovým systémem se pracuje výrazně jednodušeji.

Odborníci z CFS se domnívají, že do značné míry právě díky tomu by mohly jejich tokamaky být mnohem menší, kompaktnější – a tedy i výrazně levnější než jiná podobná zařízení. Snižování rozměrů se totiž projeví synergicky v celé řadě dalších ohledů.

Jejich plánované zařízení SPARC se v řadě ohledů srovnávat s velkým mezinárodním tokamakem ITER, který od roku 2013 vzniká v jižní Francii. Přitom má mít pouze čtvrtinový průměr proti ITERu a zhruba 60krát menší objem komory. Magnetické pole jeho hlavních magnetů bude přitom výrazně silnější: 22 Tesla proti 12 Tesla ITERu.

Není to moc málo?

„Kapesní“ fúzní reaktory zní tedy na pohled jako skvělý nápad. Nese s sebou i negativa. Jedním je, že „past“ musí být o to těsnější. Čím větší je reaktor, respektive komora, ve které je uvězněno plazma, tím větší je pravděpodobnost úspěchu fúze. Z malé komory prostě rychleji bez užitku „uletí“, velmi zjednodušeně řečeno.

V malých zařízeních tak zatím možné dosáhnout ziskové fúzní reakce: tedy dosáhnout toho, aby v plazmatu vznikalo více energie, než je zapotřebí k ohřevu. Dochází k ní, ale k udržení vhodných podmínek je zapotřebí více energie, než kolik se při slučování jader uvolňuje.

Plazma musí být jednoduše řečeno tak veliké, aby částice paliva (tedy jádra izotopů vodíku) v reaktivní oblasti pobyly dostatečně dlouho. V menších zařízeních jich příliš mnoho utíká ven. Zvenčí je sice můžeme doplňovat, ale to s sebou nese velké energetické ztráty.

Řada odborníků je skeptická k tomu, že by výkonnější magnety společnosti CFS mohly tento hendikep vyrovnat. Druhou ještě méně nápadnou nevýhodou malých reaktorů by mohla být nižší životnost, konkrétně životnost materiálů v jejich stěnách.

Tokamaky jsou magnetické pasti, protože plazma je tak žhavé, že žádný pevný materiál by styk s plazmatem o teplotách desítek či stovek milionů stupňů nemohl přežít (a ostatně by ho nepřežilo ani dosti křehké a vzácné plazma). Ale i když magnetická izolace funguje, reaktor není zrovna přívětivé místo.

V plánovaných reaktorech velká část energie vzniklé fúzí uniká z komory v podobě neutronů. Při nevyhnutelném průchodu stěnou komory zasahují její atomy, které se přesouvají, a materiál tím může měnit své vlastnosti. Stejný problém se objevuje i v dnešních jaderných elektrárnách, ovšem zatížení v hypotetických fúzních reaktorech by mělo být extrémně vysoké.

Dnes se proto vyvíjejí speciální, velmi odolné materiály, které tomuto namáhání mají do značné míry odolat. Ale není jisté, jak intenzivní neutronové „bombardování“ vlastně mohou zvládnout.

Pokud by měl být výkon reaktoru CFS stejný jako výkon „konkurence“, ale s výrazně menší komorou, je nevyhnutelné, že stěny by byly více namáhány. Z komory by „vylétalo“ stejné množství energie, ale protože samotná komora by byla menší, muselo by toto množství energie projít přes výrazně menší plochu. Docházelo by ke zvyšování tzv. „hustoty toku“ energie a neutronů, a tedy výrazně rychlejšímu stárnutí hmoty nádoby na plazma. Aby se libovolná ffúzní elektrárna vyplatila, bude muset ovšem fungovat desítky let…

Schéma tokamaku (foto Entler a kol.)
Schéma tokamaku (foto Entler a kol.)

Nová doba?

Bez ohledu na možný „velký malý problém“ fúzních reaktorů společnosti CFS je nutné ovšem poznamenat, že jejich finanční úspěch je na poměry oboru unikátní. Letošní a historicky vůbec první zpráva o stavu „fúzního průmyslu“ dospěla k závěru, že do tohoto oboru šlo od 90. let 20. století zhruba 1,8 miliardy v soukromých investicích – v podstatě stejně, kolik společnost CFS získala během posledního investičního kola.

Investice do fúze jsou soustředěné v několika „hvězdných“ firmách. Čtyři z nich – Commonwealth Fusion Systems, General Fusion, TAE Technologies a Tokamak Energy – si rozdělily 85 procent z oněch 1,8 miliardy dolarů, které zpráva uváděla. Nepoměr se od té doby díky úspěchu CFS samozřejmě ještě výrazně zvýšil.

Zpráva uvádí, že na světě existuje nejméně 35 soukromých společností zabývajících se jadernou fúzí. Většina z nich je soustředěna v USA a Evropě. Z těchto 35 společností se jich tucet prohlásil za společnosti v rané fázi vývoje nebo fungující „v režimu utajení“, a proto odmítly poskytnout bližší informace. U zbývajících 23 společností 12 z nich uvedlo, že zahájily činnost teprve v posledních pěti letech.

Podle zprávy je nejoblíbenější technikou fúze, kterou společnosti využívají, magnetické udržení, při němž se k zadržení vysokoteplotního plazmatu používají magnetická pole. Zatímco výroba elektřiny je hlavním cílem soukromých společností zabývajících se jadernou fúzí, téměř polovina firem vidí využití této technologie také v pohonu pro vesmírné lodě (jak jsme říkali, jsou to optimisté) a na dalších trzích včetně lodního pohonu, vodíkového paliva a průmyslového tepla.

Z hlediska údržby není experimtální tokamak vždy ideální zařízení (foto IPP)
Náročná údržba experimtálního tokamaku COMPASS v pražském Ústavu fyziky plazmatu (foto IPP)

Druhý vzadu

Druhou finančně nejúspěšnější fúzní společnosti je v současné době firma Helion Energy. Ta nedávno získala v jednom investičním kole celkem 500 milionů dolarů. Proti CFS jde přitom o společnost postupují vysloveně neprošlapanými cestami.

Vznikla v roce 2013 a zjednodušeně řečeno chce postavit jakousi obdobu naftového motoru. Do speciální komory se „vystřelují“ malé obláčky rozžhaveného plazmatu, obvykle dva proti sobě, které se srazí, a pak ještě stlačí silným magnetickým polem. V obláčku mají vzniknout tak extrémní podmínky, aby docházelo ke slučování jader ve větším měřítku. V komoře se tak bude uvolňovat energie, která se má využít k výrobě elektřiny.

Tento princip nikdy nebyl na větším zařízení využit, důvěra investorů je o to nepochopitelnější. A vzhledem k neotřelosti této technologie je překvapivě optimistický je i její časový harmonogram: odle jejich odhadů by své velké zařízení měla zprovoznit v roce 2024 a hned na něm ukázat, že má vlastnosti vhodné k výrobě elektřiny. Během několika dalších let by pak chtěla vyvinout demonstrátor skutečné elektrárny.

Možná, že mají tyto a další firmy pravdu, a k ovládnutí energie hvězd máme skutečně blízko. Ale i vzhledem k velmi termínově optimistickým slibům řady start-upů se by se ani nikdo nemohl divit tomu, kdyby za pár investorům za několik let po slíbeném „umělém slunci“ nezůstala ve výkazech spíše jen černá díra.

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.
  • Ovšem Helion Energy se snaží využít jiné fúzní reakce, konkrétně slučování izotopu helia-3 a již zmíněného deuteria. Mělo by se jednat o tzv. „bezneutronovu fúzi“. Velká část energie uvolněná třeba při slučování deuteria a tritia se totiž uvolňuje v podobě neutronů. Ty je zapotřebí zachytit, aby se energie dala využít, ale je to poměrně složité, a navíc tyto částice mají dost energie, aby neustále narušovaly a poškozovaly materiál reaktoru. Neutrony jsou tedy problém, na druhou stranu „bezneutronová“ fúze je zatím jen velmi málo prozkoumána a ozkoušena. A podmínky nutné k jejímu dosažení jsou ještě extrémnější než třeba právě u slučování deuteria a tritia. Jinak řečeno, využití tohoto typu fúze je skok do neznáma.

Aktualizace 3.11:: V článku jsme opravili překlepy a chyby. Čtenárům se za ně omlouváme.

Společnost Helion Energy, technologický start-up zaměřený na využití termojaderné fúze k výrobě elektřiny, získala v novém kole financování od investorů 500 milionů dolarů. Hodnota celé společnosti byla v tomto kole naceněna na tři miliardy dolarů.

Firma vznikla v roce 2013 skupinou odborníků, kteří hledají novou cestu k využití procesu, který dodává energii hvězdám: tedy slučování jader atomů za vysokých teplot. Zjednodušeně řečeno chce postavit jakousi obdobu naftového motoru. Do speciální komory se „vystřelují“ malé obláčky rozžhaveného plazmatu, obvykle dva proti sobě, které se srazí, a pak ještě stlačí silným magnetickým polem. V obláčku mají vzniknout tak extrémní podmínky, aby docházelo ke slučování jader ve větším měřítku. V komoře se tak bude uvolňovat energie, která se má využít k výrobě elektřiny.

Tento princip nikdy nebyl na větším zařízení využit. Většina odborníků z oboru dnes za nejslibnější princip považuje reaktory, ve kterých plazma delší či kratší domu mají udržet silné magnety (celý princip se nazývá obecně „magnetické udržení“). Nejčastějším reaktorem tohoto typu jsou tzv. tokamaky, které se staví již zhruba 70 let, a na celém světě jich vzniklo větších či menších cca 250.

Proti tomu zařízení Helion Energy je z velké v podstatě nové a unikátní. Těžko si tedy představit, že by společnost při jeho stavbě nemusela řešit nečekané problémy, které mohou zhatit i ty nejlépe připravené plány.

Firma první větší zařízení teprve staví. S konstrukcí začala v červenci roku 2021 poblíž města Everettu ve státě Washington, kde má sídlo. Mělo by jít o zařízení, které bude z jaderné fúze podstatně více energie, než se spotřebuje na ohřátí plazmatu (nevíme, jestli více, než se spotřebuje na všechny ostatní systémy). Takový „energeticky ziskový“ fúzní reaktor zatím ještě nikdo nepostavil.

I když nemá „mnoho v ruce“, firma je zatím velmi optimistická i co se týče časových výhledů. Podle jejich odhadů by své velké zařízení měla zprovoznit v roce 2024, a prakticky okamžitě ukázat, že je použitelné k výrobě většího množství energie, potažmo elektřiny. Během několika dalších let by pak chtěla vyvinout demonstrátor skutečné elektrárny.

Je asi zbytečné říkat, že dodržení tohoto harmonogramu by bylo ohromným překvapením. O zvládnutí jaderné fúze se lidstva snaží již téměř 100 let. A výsledky zatím vždy zaostávaly za očekáváními.

Největší investor

Půl miliardy dolarů by byla významná pomoc pro drtivou většinu mladých společností, v oboru jaderné fúze je to zcela mimořádné. Soukromé fúzní snahy získaly od 90. let 20. století finanční prostředky v celkové výši nízkých jednotek miliard. Nejlepší, byť neúplný odhad, zhruba 1,8 miliardy dolarů, uvádí zpráva o stavu fúzního průmyslu, kterou letos – a to vůbec poprvé – zveřejnily Asociace fúzního průmyslu (FIA) a britský Úřad pro atomovou energii (UKAEA).

Největším investorem v tomto kole byl Sam Altman, známá postava Silicon Valley. Altman byl v letech 2014 až 2019 prezidentem startupové dílny Y Combinator v Silicon Valley a nyní je generálním ředitelem organizace Open AI, která se zabývá výzkumem umělé inteligence a kterou spoluzaložil s Elonem Muskem a dalšími. (Musk od té doby odstoupil s odvoláním na střet zájmů v souvislosti s aktivitami společnosti Tesla v oblasti umělé inteligence). Altman byl také velkým zastáncem univerzálního základního příjmu, tedy myšlenky, že by vláda měla každému občanovi poskytnout základní životní minimum jako kompenzaci za technologické poruchy, které činí některá pracovní místa irelevantními.

Před lety si Altman údajně sestavil seznam technologií, do kterých by se chtěl zapojit, a umělá inteligence a energetika byly na prvním místě tohoto seznamu. Do Helion Energy poprvé investoval v roce 2015, tehdy to bylo 9,5 milionu dolarů.

Hvězdné sliby

Zmíněná zpráva o stavbu „fúzního oboru“ ukazuje, že Helion není zdaleka jedinou společností, která tvrdí, že její úspěch je za rohem. Většina autory zprávy oslovených soukromých fúzních společností údajně očekává (či alespoň autorům řekla), že fúzní energie bude dodávat elektřinu do sítě v roce 2030.

Zpráva uvádí, že na světě existuje nejméně 35 soukromých společností zabývajících se jadernou fúzí. Většina z nich je soustředěna v USA a Evropě. Z těchto 35 společností se jich tucet prohlásil za společnosti v rané fázi vývoje nebo fungující „v režimu utajení“, a proto odmítly poskytnout bližší informace. U zbývajících 23 společností 12 z nich uvedlo, že zahájily činnost teprve v posledních pěti letech.

Ačkoli ne všechny společnosti uvedly výši finančních prostředků, které obdržela, 18 společností, které tak učinily, do dnešního dne nashromáždilo téměř 1,8 miliardy dolarů plus dalších 85 milionů dolarů v grantech a jiných finančních prostředcích od vlád. Čtyři z největších hráčů na poli soukromé fúze – Commonwealth Fusion Systems, General Fusion, TAE Technologies a Tokamak Energy – se na tomto objemu podílí velkou většinou: 85 procenty.

Podle zprávy je nejoblíbenější technikou fúze, kterou společnosti využívají, magnetické udržení, při němž se k zadržení vysokoteplotního plazmatu používají magnetická pole. Zatímco výroba elektřiny je hlavním cílem soukromých společností zabývajících se jadernou fúzí, téměř polovina firem vidí využití této technologie také v pohonu pro vesmírné lodě (jak jsme říkali, jsou to optimisté) a na dalších trzích včetně lodního pohonu, vodíkového paliva a průmyslového tepla.

Ambiciózní cíle

V nadcházejícím desetiletí bude největším experimentem v oblasti jaderné fúze tokamak ITER, který se v současné době staví ve Francii a jehož spuštění se očekává koncem roku 2020. Jedná se o výzkumný reaktor, v jehož plazmatu má vznikat zhruba 10krát více energie, než kolik je zapotřebí k jeho ohřevu.

ITER je ovšem stále experimentální zařízení, které nikdy nebude dodávat elektřinu do sítě. Ve fúzním výzkumu se obecně předpokládá, že výrobu elektřiny poprvé vyzkouší další generace zařízení, která by mohla začít pracovat někdy kolem poloviny 21. století. Například Velká Británie v současné době projektuje prototyp zařízení STEP, které by mělo být v provozu ve 40. letech 21. století. Řada států Evropské unie zase předběžně spolupracuje na přípravě projektu známého jako DEMO.

Navzdory tomuto časovému horizontu se podle zprávy většina soukromých společností domnívá, že tohoto cíle mohou dosáhnout dříve – i když v menším měřítku. Více než dvě třetiny společností oslovených pro účely zprávy se domnívají, že elektřina vyrobená z jaderné fúze by se mohla dostat do sítě v roce 2030, zatímco 20 % si myslí, že to bude spíše ve 40. nebo 50. letech tohoto století.

„Tato zpráva ukazuje, jak se soukromý fúzní průmysl, převážně mimo zájem veřejnosti, přibližuje ke komerčnímu využití fúzní energie,“ říká ředitelka komunikace FIA Melanie Windridgeová. „Ambiciózní časové plány, na které upozornil náš první průzkum, ukazují, s jakým zápalem a odhodláním se toto rostoucí odvětví rozvíjí.“ Další možností samozřejmě je, že společnosti přeceňují obtíže spojené s dosažením deklarovaného cíle, nebo nechtějí odradit investory.

Windridgeová řekla časopisu Physics World, že pokud má mít fúze významný dopad na cíle v oblasti změny klimatu, pak bude první výroba elektřiny nutná v roce 2030 a komerční zavádění se rozběhne v roce 2040. To však nebude jen výsledkem činnosti soukromých firem.

„Společnosti si uvědomují význam spolupráce veřejného a soukromého sektoru, zejména v oblasti technologií, jako je šlechtění tritia a nové materiály,“ dodává Windridge. „Vyzýváme k větší podpoře partnerství veřejného a soukromého sektoru, abychom jim pomohli realizovat jejich ambice.“

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.

Oprava: V článku bylo chybně uvedeno, že zařízení STEP má být uvedeno do provozu ve 40. letech 20. století, místo správného 21. století. Za omyl se omlouváme.

Po třech letech intenzivního výzkumu a projektových prací se to podařilo: na počátku letošního září vědci z amerického Massachusettského technologického institutu (MIT) a startupové společnosti Commonwealth Fusion Systems (CFS) oznámili, že se jim povedlo uvést do provozu obrovský vysokoteplotní supravodivý elektromagnet o síle pole 20 tesla. Bylo tak vytvořeno nejsilnější umělé magnetické pole, jaké kdy na Zemi existovalo. Tento vědecký úspěch by měl přispět k pokroku ve snahách o vybudování fúzního jaderného reaktoru.

„Fúze je v mnoha ohledech tím nejzazším možným zdrojem čisté energie,“ řekla Maria Zuber, viceprezidentka pro výzkum na MIT a profesorka geofyziky: „Množství energie, které by bylo takto dostupné, by skutečně změnilo pravidla hry. Palivo potřebné k fúzní výrobě energie totiž pochází z vody a Země je plná vody – je to téměř neomezený zdroj,“ doplnila.

Vývoj magnetu, který by dokázal pohánět jadernou fúzi, je momentálně tou největší technologickou překážkou v uskutečňování tohoto plánu. Nyní ale lze věřit, že díky nové technologii magnetů je spolupráce MIT a CFS na dobré cestě k vybudování prvního fúzního zařízení na světě, které dokáže vytvářet a kontrolovat plazmu, jež vyprodukuje více energie, než spotřebuje. Zařízení nazvané SPARC by mělo být dokončeno v roce 2025.

„Výzvy při uskutečňování fúze jsou jak technické, tak vědecké,“ upozorňuje Dennis Whyte, ředitel Centra pro plazmu fúzi při MIT, které spolupracuje s CFS na vývoji technologie SPARC. Jakmile se však podaří doladit tuto technologii, bude to podle něj „nevyčerpatelný, bezuhlíkový zdroj energie, který můžete vybudovat kdekoli a kdykoli“.

Slunce v láhvi

Jaderná fúze je proces, který je „pohonem“ Slunce. V podstatě v něm jde o to, že sloučením dvou malých atomů vznikne atom větší a při tom se uvolní ohromné množství energie. Nastartování tohoto procesu však vyžaduje tak vysoké teploty, že jim nedokáže odolat téměř žádný pozemský pevný materiál. K vytvoření slunečního zdroje energie zde na Zemi je totiž nutné, aby substance dosáhla teploty 100 000 000 ⁰C nebo i více a aby byla zcela izolována od svého okolí.

Tohoto stavu lze dosáhnout pouze vytvořením velmi silných magnetických polí, které si lze představit jako jakousi neviditelnou láhev, jež obsahuje horkou vířící polévku protonů a elektronů, nazývanou plazma. Protože částice mají určitý elektrický náboj, je možné je ovládat magnetickým polem. Nejpoužívanější nádobou je v dnešní době zařízení ve tvaru donutu zvané tokamak. Většina těchto zařízení až dosud vytvářela svá magnetická pole pomocí konvenčních elektromagnetů vyrobených z mědi. Jeho nejnovější a největší verze, která momentálně vzniká ve Francii, bude používat nízkoteplotní supravodiče.

Hlavní inovací projektu je použití vysokoteplotních supravodičů, které umožňují vytvoření mnohem silnějšího magnetického pole v mnohem menším prostoru, než tomu bylo dosud. S konvenčními nízkoteplotními supravodivými magnety by odpovídajícího výkonu bylo možné dosáhnout v zařízení 40krát větším. Novou konstrukci magnetů umožnil zcela nový druh supravodivého materiálu – ocelová „páska“ potažená sloučeninou známou jako YBCO (yttrium-barium-copper oxide). Tato páska by měla přinést značné konstrukční zjednodušení, a tudíž i mnohem rychlejší stavbu fúzních zařízení. V důsledku by mohlo dojít k velmi výraznému snížení celkových nákladů na takovéto projekty.

Fúze na dosah

„Je to opravdu velký okamžik,“ uvedl Bob Mumgaard, generální ředitel CFS, a dodal: „Nyní máme v rukách platformu, která je díky desítkám let vědecké práce velmi vyspělá a je také velmi zajímavá komerčně. Díky ní budeme moci vytvářet fúzní zařízení rychleji, s menšími rozměry a s nižšími náklady.“

„Realizace supravodivého magnetu si vyžádala hodně práce, během níž jsme vyvinuli řadu jedinečných výrobních postupů a zařízení. Díky tomu jsme nyní dobře připraveni zahájit výrobu testovacího zařízení SPARC,“ řekla Joy Dunn, vedoucí provozu CFS, a upřesnila: „Začali jsme s fyzikálním modelem a návrhem v CAD. Následně jsme prošli mnoha vývojovými a prototypovými fázemi, abychom z pouhého návrhu vytvořili skutečný fyzický magnet.“ To si vyžádalo vybudování rozsáhlých výrobních kapacit a testovacích zařízení, včetně komplikací s dodavateli již zmíněné supravodivé pásky. Vědci přitom dlouho pracovali souběžně se dvěma koncepcemi magnetů. Ve své konečné podobě se magnet skládá z 16 desek, z nichž každá by sama o sobě byla nejsilnějším vysokoteplotním supravodivým magnetem na světě.

„Před třemi lety jsme oznámili plán vybudovat magnet o síle pole 20 tesla, který bude potřeba pro výstavbu budoucích fúzních zařízení. Tohoto cíle bylo nyní dosaženo, přesně podle plánu a pandemii navzdory,“ shrnul mimořádný vědecký úspěch Bob Mumgaard.  

Vize člověkem řízené jaderné fúze se o krok přiblížila realitě: vědcům z kalifornského National Ignition Facility (NIF), který je součástí Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), se totiž podařilo na malý zlomek vteřiny dosáhnout tzv. zapálení. To je stav, kdy záření uvolněné při jaderné fúzi stačí k zahřátí okolního paliva, které také začne fúzovat, a vznikne tak sebeudržující se řetězová fúzní reakce.

Podle LLNL tím bylo v oblasti experimentálního výzkumu jaderné fúze dosaženo důležitého milníku s nadějnými vyhlídkami do budoucna. Zvládnutí zapálení jaderné fúze by totiž pro lidstvo znamenalo nový čistý zdroj energie a nepochybně by přineslo i odpovědi na řadu velkých otázek teoretické fyziky.

Americkým vědcům se v laboratorních podmínkách podařilo zapálení dosáhnout díky obří soustavě téměř 200 laserů o velikosti tří fotbalových hřišť. Ty mířily na peletu deuterium-tritiového fúzního paliva o průměru pouhých několika milimetrů. Laserový paprsek zahřál peletu na teplotu více než 3 miliony °C, čímž se odpařil její povrch a došlo ke stlačení deuteria a tritia na hustotu, při které se jejich atomy začaly slučovat. Při tom se uvolnilo více než 1,3 MJ energie, tedy zhruba 25násobek dosud rekordního množství energie, kterého se podařilo v NIF dosáhnout v roce 2018.

Nový rekord padl i díky řadě technických vylepšení celého experimentálního zařízení: byla použita nová diagnostika, došlo ke změnám ve výrobě tzv. hohlraumu, dutého zařízení, v němž je umístěna peleta, a zvýšila se rovněž přesnost laseru.

Přestože uvolňování energie trvalo jen velmi krátkou dobu – pouhých 100 biliontin sekundy – vědce výsledek experimentu nadchl. „Tento výsledek je historickým pokrokem ve výzkumu fúze inerciálního udržení,“ radostně komentovala událost Kim Budilová, která je ředitelkou LLNL.

I nejnovější experiment si stejně jako všechny předchozí stále vyžádal na vstupu více energie, než kolik jí vyprodukoval, je však prvním, při kterém se podařilo dosáhnout klíčové fáze – zapálení. Vědci si tak připravili půdu pro dosažení další mety, tzv. breakeven, tedy momentu, kdy energie na vstupu je ekvivalentní energii uvolněné fúzní reakcí. Teprve pak bude možné začít se vážně zabývat energetickým ziskem z jaderné fúze.

Jako ve středu Slunce

Někteří vědci považují jadernou fúzi za možný energetický zdroj budoucnosti, zejména proto, že při jeho využívání vzniká jen velmi málo odpadu a žádné skleníkové plyny. Od jaderného štěpení, techniky, která se v současné době používá v jaderných elektrárnách, se zcela zásadně liší. Při štěpné reakci se přerušují vazby mezi těžkými atomy, díky čemuž dochází k uvolňování energie. Ve fúzním procesu se naopak spojují lehká atomová jádra, čímž vznikají jádra těžká a rovněž se uvolní značné množství energie.

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. V NIF se zaměřují na fúzi inerciálního udržení. Myšlenka řízeného uvolňování fúzní energie pomocí inerciálního udržení 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 neboli 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.

 V LLNL tento teoretický koncept realizují tak, že systémem laserů ohřívají na velmi vysokou teplotu palivové pelety. Ty obsahují tzv. těžké vodíky – deuterium a tritium –, které lze snáze „tavit“ a vyprodukovat z nich více energie. 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.

Zjistit, co bylo po Velkém třesku

„Týmy NIF odvedly mimořádnou práci,“ ocenil práci svých kolegů profesor Steven Rose, spoluředitel Centra pro studium inerciální fúze na Imperial College London, s tím, že jde o nejvýznamnější pokrok v oblasti experimentů s inerciální fúzí od jejich počátků, které se datují do roku 1972.

Jeremy Chittenden, Roseův kolega ze stejného centra, však varoval, že učinit z tohoto laboratorního a čistě experimentálního řešení prakticky využitelný zdroj energie nebude snadné. „Proměna tohoto konceptu na obnovitelný zdroj elektrické energie bude pravděpodobně dlouhý proces, během nějž bude nutné překonat řadu významných technických výzev,“ řekl, avšak optimisticky dodal: „Tempo zvyšování produkce energie je rychlé, což naznačuje, že brzy můžeme dosáhnout dalších energetických milníků, jako je stav, kdy na výstupu dosáhneme vyššího energetického výtěžku, než je energetická náročnost laserů použitých k nastartování procesu. “

Tým z Imperial College London nyní analyzuje výstupy experimentu pomocí diagnostických metod, které sám vypracoval, aby co nejlépe porozuměl tomu, co se děje za tak extrémních podmínek. Brian Appelbe, výzkumný pracovník Centra pro studium inerciální fúze, uvedl: „Lasery NIF již dříve dokázaly vytvořit ty nejextrémnější podmínky na Zemi, ale nyní se zdá, že nový experiment zdvojnásobil předchozí nejvyšší dosaženou teplotu. Dostali jsme se tak do situace, v níž jsme nikdy předtím nebyli – nacházíme se na dosud nezmapovaném území našeho porozumění plazmě.“

Zvládnutí jaderné fúze a detailní porozumění jejím mechanismům by mohlo teoretickým fyzikům otevřít nové možnosti výzkumu některých nejextrémnějších stavů vesmíru, včetně těch, které panovaly jen několik minut po Velkém třesku.

Když v 50. letech minulého století fyzikové konečně dokázali napodobit v laboratořích proces, kterým vzniká energie na Slunci, jejich optimismus neznal mezí. Z dnešního hlediska naivně předpokládali, že nebude trvat dlouho a rostoucí hlad lidstva po energii budou z velké části pohánet termonukleární elektrárny.

V jejich centru mělo magnetické pole udržovat a stlačovat oblak rozžahavného plynu. Rozžhaveného na takové teploty, aby v nich docházelo za běžných podmínek nemyslitelnému jevu. Silně ohřátý plyn byl totiž změnen 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 a spojila se. Dostat tyto „malé magnety“ k sobě je obvykle nemožné. Ale pokud dodáme jádrům dostatek energie (tj. zahřejeme protředí), 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. Podobně jako v nitru Slunce.

V polovině 20. století se to zdálo jako hračka. Vědci vůbec netušili, že čím se budou snažit dosahovat vyšších parametrů plazmatu, tím víc se tomu bude plazma „bránit“. Tehdejší modely předpokládaly, že ztráty energie z plazmatu izolovaného v 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.

Až experimenty fyzikům ukázaly, jak se pletou. ukázaly, že zvyšování teploty plazmatu pomocí dodávání energie „z venku“ je jen málo účinné: přesněji řečeno vede k vyšší intenzitě turbulence a tím k rychlejšímu úniku energie z plazmatu. Tento proces následně znemožňoval plazma účinně zahřát na tzv. zápalnou teplotu a tím spustit termonukleární reakci.

Sen se náhle rozplynul, a přelom 70. let a 80. let byl mezi odborníky roky frustrace. I přesto, že v té době byla zahájena stavba dvou velkých tokamaků – TFTR v USA a JET ve Velké Británii –, praktické nasazení se zdálo být velmi daleko. Tokamaky jsou zařízení, které plazma drží v komoře ve tvaru pneumatiky. Vznikla v SSSR, dnes se považují za nejslibnější směr dalšího výzkumu a vývoje v této oblasti.

Problém ztrát se ovšem poměrně nečekaně vyřešil v roce 1982. Tehdy se německému fyzikovi Fritzi Wagnerovi a jeho kolegům začalo totiž plazma v jejich tokamaku ASDEX při experimentech chovat jinak, než očekávali. „Pod rukama“ jim plazma nečekaně 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.

Schéma tokamaku (foto Entler a kol.)
Schéma tokamaku (foto Entler a kol.)

Ukázalo se, že v novém režimu udržení plazmatu, který byl nazván H-mód (High confinement mode), se energetické ztráty výrazně snížily. Se stejným zařízením pak bylo náhle možné dosáhnout v podstatě dvojnásobné teploty v centru plazmatu. Jak se později ukázalo, příčinou je samovolné roztočení plazmatu poblíž jeho okraje. Tím se „roztrhá“ turbulence na okraji plazmatu a to se celé lépe „zaizoluje“.

Wagner si nejprve myslel, že tak dobrý výsledek musí být chyba. Když na žádnou nepřišel a jel své výsledky představit na první konferenci, nevěřili tomu zase jeho kolegové. Po jeho prezentaci ho „grilovali“ celé hodiny. Wagner byl v tu chvíli v těžkém postavení, protože v té době ještě ani nevěděl, jak vlastně H-módu dosáhl a co udělat, aby ho dosáhl znovu.

Ale postupně s kolegy nalezli „recept“ a H-mód se podařilo postupně generovat i v dalších tokamacích. Do oboru to vdechlo nový život a naději. Ukázalo se, že bude možné postavit a provozovat fúzní reaktor s požadovaným energetickým ziskem o přijatelné velikosti, a tím pádem i s přijatelnou cenou.

Tokamak COMPASS v pražském Ústavu fyziky plazmatu (foto IPP)
Tokamak COMPASS v pražském Ústavu fyziky plazmatu (foto IPP)

Bez nevýhod to nejde

Novinka měla i své stinné stránky. H-mód umožňuje dosahování výrazně vyšších parametrů plazmatu, nicméně je doprovázen novým typem nestability. Ta se vyznačuje periodickými „výtrysky“ plazmatu napříč magnetickým polem směrem ke stěně vakuové nádoby. Tyto výtrysky (podle anglické zkratky jim i čeští fyzici říkají ELMy) pro malá experimentální zařízení nepředstavují problém, protože nesou relativně málo energie a nepoškozují tudíž stěnu vakuové komory. Ovšem ve velkých fúzních reaktorech – včetně předpokládaných fúzních elektráren – budou představovat vážný problém, protože díky výrazně vyšší energii mohou stěnu poškodit. To by znamenalo opravu spojenou s odstávkou a faktický konec snů o praktickém nasazení fúzního zdroje energie.

Proto v posledních patnácti letech fyzikové z celého světa intenzivně hledali způsob, jak tyto nestability potlačit a zároveň plazma udržet v režimu H-módu. Postupně se podařilo najít několik způsobů, jak tohoto dosáhnout. Několik z nich je už zahrnuto do projektu tokamaku ITER. Zdá se ovšem, že by mohl existovat jeden relativně „elegantní“ způsob řešení problémů, který by stál za vyzkoušení – pokud bude kde.

Výsledky získané zhruba před deseti lety na tokamaku Alcator C-Mod, který pracoval na půdě slavné americké technické univerzity MIT, ukazují, že řešením by mohly být velmi silné magnety. Alcator byl jako jediné zařízení svého typu schopen generovat velmi vysoké magnetické pole až 8 tesel (8 T) a ukázal, že při využití magnetického pole o minimální velikosti kolem cca 5 T se plazma začíná chovat pro nás velmi příhodně: ztrácí málo energie jako v H-módu, ovšem bez těch nepříjemných nestabilit (ELMů).

Je to zcela zásadní výsledek, protože „ověřovací“ reaktor ITER, který má ukázat, že fúzi je možné ovládnout, má pracovat s magnetickým polem trochu vyšším než 5 T. Výhod magnetického pole by tedy měl být schopen využít – pokud o nich ovšem budeme vědět dost.

Alcator C-Mod totiž musel v roce 2016 ukončit provoz kvůli rozpočtovým škrtům. Jiný tokamak schopný dosáhnout podobných magnetických polí a s vhodnou geometrií plazmatu na světě dnes není. Většina v současné době provozovaných tokamaků pracuje s magnetickými poli o maximální velikosti do tří tesel, a to včetně nových supermoderních tokamaků v Číně či Jižní Koreji se supravodivými cívkami.

ITER sice bude mít dostatečné parametry, ale na podobné experimenty není úplně nejvhodnější, a to nejen proto, že do jeho spuštění ještě několik let chybí (má začít fungovat v roce 2025). Půjde o velký reaktor, jehož čas bude drahý, navíc má celou řadu dalších úkolů. S koncem amerického Alcatoru tedy celosvětově chybí menší a pružné experimentální zařízení, které by umožnilo experimenty s využitím silných magnetických polí nad pět tesel. Mezeru má zaplnit Česko.

Schéma tokamaku COMPASS-Upgrade (foto IPP)
Schéma tokamaku COMPASS-Upgrade (foto IPP)

Podle staronového kompasu

Československo, ba ani Česká republika, své vlastní větší fúzní zařízení přitom až do této chvíle nikdy nepostavila. V roce 2007 se ovšem do Čech přestěhoval (ze jednu libru koupený) původně britský a stále ještě poměrně „nový“ experimentální fúzní tokamak COMPASS.

Čeští vědci si na něm vypěstovali novou expertízu a dovednosti do té míry, že se rozhodli přijít s projektem podstatně ambicióznějším. V Ústavu fyzika plazmatu tak v této době už probíhají stavbení práce na přípravě v podstatě nového zařízení v projektu, který má nepříliš originální název COMPASS Upgrade.

V původním COMPASSu bylo možné generovat magnetická pole o velikosti do 2 tesel. Zvýšit jej není z mnoha konstrukčních důvodů možné, takže nový projekt si vyžádá změnu i té nejniternější části zařízení: vakuové komory, ve které je drženo plazma, i magnetických cívek, které ho v ní mají udržet.

Projekt, který i tak dostal název COMPASS Upgrade, se rozběhl v roce 2017 a měl by být dokončen zhruba v polovině roku 2023. Měl by vyjít zhruba na 800 milionů korun – za ty peníze by mělo vzniknout zhruba 300tunové unikátní experimentální zařízení typu tokamak i systémy nezbytné k jeho provozu (napájení, vakuový a kryogenní systém, řada nových diagnostik atd.). Počítá se s využitím co největší části stávajících provozních zařízení COMPASSu, případně s jejich upgradem (měřicích přístrojů, části energetických systémů atp.), ale to lze jen do určité míry.

Samotný současný tokamak COMPASS, který tedy bude muset uvolnit místo v experimentální hale novému tokamaku. Ten se zřejmě znovu postěhuje, tentokrát na Iberský poloostrov: projevily o něj v rámci společného projektu zájem Španělsko a Portugalsko.

Nový COMPASS-U je navržený tak, aby se minimalizovalo riziko nějakých prodlev či problémů, ale o běžné průmyslové zařízení rozhodně nejde. Například magnetické cívky schopné generovat velmi vysoké magnetické pole budou vyráběny ze speciálního typu mědi. Cívky se budou během provozu chladit na teplotu kolem -180 °C, čímž dojde až k desetinásobnému snížení jejich elektrického odporu. Což je klíčové, protože jimi bude protékat elektrický proud až 200 000 ampérů (A). Napájení reaktoru zajistí několik rázových generátorů, které budou schopné dodávat výkon až 250 MW po dobu několika sekund.

Z hlediska údržby není experimtální tokamak vždy ideální zařízení (foto IPP)
Z hlediska údržby není experimtální tokamak vždy ideální zařízení (foto IPP)

Stejně tak vakuová komora, v které bude „levitovat“ plazma, bude vyrobena ze speciálního typu nerezové oceli, která neztrácí svou pevnost ani při vysokých teplotách cca 500 °C. Stěna bude v některých místech až čtyři centimetry silná, aby byla schopna bez problémů snést namáhání způsobené velkými elektromagnetickými silami, které by slabší konstrukci mohly vážně poškodit. Řešit se muselo i tepelné namáhání konstrukce, respektive některých dílů. Jen pár centimetrů od sebe budou měděné cívky chlazené na -180 °C a pak vakuová komora obsahující plazma, která bude zahřátá na teplotu 500 °C.

Co bude nového

Nový český tokamak by měl především pomáhat s přípravou zatím jen plánovaného prototypu fúzní elektrárny, který nese název DEMO. Zaměří se mimo jiné na řešení problému „unikajícího tepla“, tedy odvodu tepla z plazmatu. Magnetická past v tokamacích není a nikdy nebude dokonalá a částice, které se z ní uniknou, se musí z vakuové komory tokamaku odvádět. K tomu slouží otvor, nejčastěji umístěný na spodní části komory, známý jako divertor.

Divertor u dna plazmové komory tokamaku COMPASS v pražském Ústavu fyziky plazmatu (foto IPP)
Divertor u dna plazmové komory tokamaku COMPASS v pražském Ústavu fyziky plazmatu (foto IPP)

Divertor se snadno může teplem zničit. Předpokládá se, že u elektráren budou materiály divertoru muset dlouhodobě snést tepelnou zátěž podobnou té, které by čelily na samotném povrchu Slunce. Což by i u těch nejodolnějších materiálů vedlo k jejich rychlé destrukci. Týká se to jen velmi malé plochy, ale pokud se v tomto místě povrch zničí, další škody jsou nevyhnutelné. Proto se vyvíjejí metody, jak tento problém vyřešit.

ITER i COMPASS-U budou používat na nejvíce namáhaná místa v divertoru wolfram, a to buď čistý, nebo v podobě oceli potažené vrstvou wolframu. Wolfram je pevný, odolný a velmi těžko opracovatelný kov s teplotou tání 3 400 °C.

Ale ani to by u větších reaktorů nestačilo. Jeden trik je dopadající proud částic z plazmatu (a tedy i energii) rozptýlit na větší plochu. Fyzikové před povrch divertoru v daném místě „fouknou“ plazmatu do cesty trochu inertního plynu, který většinu energie pohltí a následně vyzáří na podstatně větší plochu. Stěna divertoru se pak sice zahřeje na větší ploše, ale na podstatně nižší hodnoty, čímž je zařízení chráněno.

I přes tento účinný „trik“ se nepovažuje otázka opotřebení stěny divertoru za zcela vyřešený problém. A tak se hledají další netradiční a inovativní přístupy. Jednou ze slibných metod, kterou má ve velkém rozsahu právě jako jediný na světě testovat COMPASS-U, je využití technologie tzv. tekutých kovů, především lithia, cínu a jejich slitin.

V tomto případě nebude povrch divertoru tvořen pevným wolframem, nýbrž velmi porézní wolframovou „houbou“, která do sebe bude z jedné strany „nasávat“ tekutý kov. Ten bude díky kapilárním silám vzlínat, až na povrchu „houby“ vytvoří tenkou vrstvu. Plasma dopadající na tento povrch bude vrstvu postupně odpařovat, ovšem na místo odpařeného kovu rychle přiteče jiný.

Tento výzkum probíhá v současné době především v zahraničí, zejména v Rusku či v USA, nicméně v celém světě neexistuje experimentální zařízení, v kterém by bylo možné tuto technologii zkoumat za podmínek podobných těm v budoucích reaktorech. Postup se ověřoval v malém na současném COMPASSu v roce 2019, ale plazma v něm nenese tolik energie. Nový COMPASS-U by měl být prvním zařízením, které umožní tento výzkum za podmínek relevantních pro provoz případných elektráren. Získá tak oficiální status evropského testovacího zařízení pro vývoj této technologie, což zase minimálně zjednoduší přístup k financím na provoz a experimenty.

Load More