Článek
O firmách, které slibují, že zvládnou v dohledné době vyrábět energii stejným způsobem jako Slunce, je v poslední době hodně slyšet. A to nejen stále častěji i v souvislostech finančních, protože investoři jim i přes nedostatek hmatatelných výsledků rekordně věří.
Není vlastně divu. Po desetiletí nedosažitelný zdroj energie už se zdá být opravdu relativně blízko. Problém spočívá ovšem v definici oné „blízkosti“. Obor si potrpí na naprosto nereálné sliby a prakticky neustálé odsouvání oznámených termínů.
Přehánění přitom přes zjevný pokrok v oboru nepolevuje. V posledních dnech to názorně předvedla britská společnost First Light Fusion, která ve svém tiskovém prohlášení oznámila „fúzní průlom“.
Už na druhý pohled je situace sice zajímavá, ale zdaleka bohužel nepřihořívá tak, jak by se mohlo zdát. Ve skutečnosti pouze nezávislé měření britské agentury UKEA potvrdilo, že v zařízení First Light skutečně dochází ke slučování atomových jader, při kterém se uvolňuje energie. Ale to neznamená, že firma má „elektrárnu“, a to ani zdaleka. Oněch „průlomových“ neutronů bylo doslova pár desítek, což je naprosto zanedbatelné množství. To je jako zaměnit pár zrnek písku za poušť.
Firma se tedy zatím zdá být na správné cestě, ale do cíle má velmi daleko. I přestože hlavním rysem její koncepce má být maximální „jednoduchost“, má ještě co dělat.
Netradiční přístup
Společnost s plným názvem First Light Fusion vznikla v roce 2011 jako spin-off (vedlejší produkt) 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.
Pracuje na vývoji zařízení, které z technického pohledu není zrovna konvenční. Nedokonalou analogií řečeno jde v podstatě o „spalovací motor“, ve kterém pravidelně dochází k řízeným malým fúzním explozím.
Jde o princip tzv. inerciálního udržení. Ve speciální komoře se zapálí speciální palivová peleta čili terč. Zapálení probíhá nějakou extrémní metodou, jež terč prudce „zmáčkne“, aby v něm nastaly naprosto extrémní podmínky, které se na Zemi běžně nevyskytují.
V případě amerického zařízení NIF například terčík prakticky najednou zasáhne 192 silných laserů, které ho ohřejí na několik milionů stupňů. Povrch terče se extrémně rychle ohřeje a expanduje – a přitom dojde ke stlačení interiéru terče, kde pak vzniknou takové teploty a tlaky, že dochází ve větším měřítku ke slučování jader.
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 vylepšení maximálně jednou za několik hodin. V hypotetické elektrárně by mělo probíhat jednou za několik sekund. Třeba hypotetická elektrárna First Light by měla zapalovat novou peletu každých pět sekund.
Umožnit to má zásadní zjednodušení provozu. Místo komplikované, drahé a také dosti neefektivní soustavy laserů chce používat jedno elektromagnetické dělo. Před každým „zážehem“ se do komory nejprve spustí jeden terčík, do kterého se pak systém trefí dalším „projektilem“. Projektil se má pohybovat maximální rychlostí 6,5 kilometru za sekundu.
Po nárazu do terče díky jeho speciální konstrukci dojde k urychlení částí projektilu až na rychlost kolem 70 kilometrů za sekundu. Což by mělo stačit na vytvoření prostředí, ve kterém může docházet po krátkou dobu ve větším měřítku k fúzi. Každých pět sekund by měla spadnout do komory další peleta a proces se opakuje.
Vzhledem k tomu, jaké se má používat „palivo“ pro fúzi (deuterium a tritium), se při spojování jader vzniklá energie uvolní v podobě silné spršky neutronů, které nesou velké množství energie. Nejlepší způsob, jak z nich energii získat, o kterém dnes víme, je změnit jejich energie na teplo. V okolí fúzní komory bude nějaký materiál, kterému neutrony po nárazu teplo předají. Teplo zahřeje páru, ta roztočí turbínu.
Otázkou je, jak onu vrstvu na záchyt neutronů zkonstruovat. Neutrony s vysokými energiemi totiž poměrně rychle ničí materiál na stěnách komory. V případě komerčního reaktoru by to mohlo vést k velmi častým odstávkám, které samozřejmě ovlivní cenu vyrobené energie. Elektrárna, která velkou část roku stojí, se může vyplatit jen těžko.
First Light chce tento problém vyřešit zajímavě: Komora má mít tekuté stěny. V podstatě si prostor jejího hypotetického reaktoru můžete představit jako velký válec, ve kterém podél stěn k zemi padá clona z tekutého kovu. Dole pod komorou je bazén, ze kterého se bude kov znovu čerpat vzhůru a znovu vypouštět do fúzní komory.
„Vodopád“ v komoře má být lithiový. Materiál, který známe díky dnešním bateriím, je sice velmi hořlavý a nemůže se tedy dostat vůbec do kontaktu se vzduchem, ale má jinou velkou výhodu. Při „bombardování“ lithia neutrony z fúzní reakce vzniká tritium. To je vzácný izotop vodíku se dvěma neutrony v jádře (normální vodík nemá žádný, 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). Ovšem v přírodě se prakticky nevyskytuje, protože se poměrně rychle rozpadá (poločas rozpadu cca 12 let). Protože ale dnes máme problém vůbec fúzi spustit, jeho výhody (tedy hlavně snadnost zapálení) převažují. Britský start-up tvrdí, že v jeho reaktoru by mělo během provozu z lithia vznikat dost tritia na to, aby si elektrárna vyráběla dost paliva pro svůj vlastní provoz.
Jak na fúzi
Princip slučování jader, tedy jaderné fúze, není složitý: V reaktoru dochází ke sloučení dvou jader atomů do jednoho jádra těžšího atomu. V praxi jde však o velmi složitý problém, protože slučování jader lze částečně přirovnat ke snaze přiblížit dva magnety stejnými póly k sobě.
Schéma jaderné fúze.
Dvě jádra s kladným nábojem se odpuzují a až po překonání odpudivé síly a vzájemném přiblížení jader na velmi malou vzdálenost převládne přitažlivá síla a jádra se mohou sloučit na jádro těžší (např. jádro helia) za produkce velkého množství energie.
Aby bylo možné této reakce dosáhnout, je nutné hmotu zahřát na extrémní teploty, kde se přemění na tzv. plazma. Na Slunci pomáhá horké plazma držet gravitační síla, která zajišťuje vhodnou kombinaci extrémní hustoty (fúze probíhá v jeho středu, ne u povrchu) a vysokých teplot, tj. rychlosti samotných jader.
Na Zemi nelze využít k tomuto účelu gravitační sílu, a tak se využívá pro udržení a izolaci plazmatu silné magnetické pole, které však nedokáže zajistit tak vysoké hustoty jako v centru Slunce. Proto je plánem dosáhnout výrazně vyšších teplot. Ve stavěném tokamaku ITER má teplota plazmatu dosahovat až 150 milionů stupňů, což je desetinásobek hodnoty ve středu Slunce.
Na papíře rozumný
Mnohem realističtější než slibované termíny působí celá konstrukční filozofie firmy. Ani to samozřejmě nezaručuje investorům, že se jim jejich peníze někdy vrátí a společnost skutečně fúzní elektrárnu postaví, ale šanci na úspěch by mohly zvýšit. Pokud se jich tedy společnost bude skutečně držet.
Vedení společnosti totiž říká, že by její reaktor mě být „co nejnudnější“. V podstatě to znamená, že až na samotný proces fúze by měla všechny další části elektrárny tvořit známá a osvědčená technologie. Tedy například výrobu elektřiny bude obstarávat běžný parní okruh s elektrárnou. Ohřáté lithium předá teplo páře, která pak roztočí lopatky turbíny. (V minulosti firma hovořila o tom, že elektrárna mohla mít ještě jeden „meziokruh“ obsahující rozžhavenou sůl, ale zřejmě od nápadu upustila.)
Čistě pro představu dodejme, že elektrárna o výkonu 300 MW vyžaduje plochu dost podobnou tomu, jakou má obdobně velká uhelná elektrárna. Každý pět sekund by se mělo při fúzi materiálu v terčích uvolnit zhruba 1000 MWh tepelné energie. Z té by se mělo vyrobit údajně kolem 300–350 MW elektrické energie „čistého“ (tedy na vývodu z elektrárny).
Pro všechny účastníky trhu, investory či konstrukční a stavební společnosti by tedy mohl být takový provoz minimálně „povědomý“. Stejný ohled – a také technické parametry – ovlivnil třeba i velikost nových reaktorů společnosti Rolls-Royce, které mají elektrický výkon něco přes 400 MW.
Jádrem celého komplexu by měla být reaktorová nádoba s průměrem asi 5–7 metrů, která připomíná nádoby dnešních jaderných reaktorů. V jejím nitru bude proudit lithiový „vodopád“ s prostorem pro fúzi uprostřed. Kolem mají být 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. Celkově by ovšem bezpečnostní standardy měly být nižší než u běžných jaderných elektráren. Budova nemusí obsahovat bezpečnostní lapač na roztavený materiál, jaký mají štěpné reaktory. Radioaktivního materiálu je méně, nehrozí navíc rozběh řetězové reakce.
S některými riziky se ovšem počítat musí, například s možností vznícením lithia či úniku radioaktivního tritia, které v lithiovém okruhu vzniká. Úplně levné zařízení to tedy jistě být nemůže. Asi vás nepřekvapí, že First Light něco takového slibuje, protože ve svých materiálech uvádí cenu jedné elektrárny na „méně než miliardu dolarů“. Dodejme, že již zmíněný reaktor od Rolls-Royce, který má sice zhruba o polovinu vyšší výkon, ale je založen na méně originálním nápadu, by měl stát zhruba dvojnásobek.
Šéf First Light Nicholas Hawker v nedávném odborném textu odhadoval, že fúzní elektrárna ovšem i tak nebude moci konkurovat těm nejlevnějším zdrojům elektřiny (mluvil o roce 2030, což je nereálný termín). Měla by podle jeho představ sloužit v podstatě jako dnešní plynové elektrárny, tedy pro vyrovnávání výkonů obnovitelných zdrojů a dodávky ve špičce.
Ovšem parametry jeho uvažované elektrárny mají k dnešním zařízením daleko. V dnešní situaci by se v Evropě přesně takový zdroj hodil, ale k jeho nasazení chybí určitě ještě desítky let práce a dalšího vývoje.
Společnost v roce 2019 například pro média uváděla, že první fúzní neutrony by měla zachytit během několika příštích měsíců. Nakonec se ukázalo, že uvést zařízení do chodu bude poněkud komplikovanější, než se původně zdálo. Což asi u originálního zařízení pro výzkum novátorského zdroje energie není příliš překvapivé. Překvapivé by bylo jedině snad to, že by nějaký fúzní start-up slibované termíny plnil.
