Článek
O energetické využití procesu, který se odehrává v nitru hvězd, se vědci a technici pokoušejí zhruba od konce druhé světové války. Raný optimismus o rychlém zvládnutí procesu se brzy ukázal jako naprosto neopodstatněný. Postupně se ale podařilo hromadit znalosti a zkušenosti a dnes stojíme podle odborníků těsně před prahem úspěchu.
K cíli se blíží experimentální fúzní reaktor ITER, který na jihu Francie společně buduje 35 států světa. Zdejší obří tokamak by měl zhruba za 15 let poprvé dosáhnout energetické ziskovosti. Tedy produkovat víc energie, než kolik jí je potřeba pro spuštění a udržení fúze.
Staveniště nejdražšího mezinárodního vědeckého projektu na planetě exkluzivně navštívila Televize Seznam, výslednou reportáž si můžete pustit v úvodním videu.
Monumentální reaktor vévodí krajině
Rozestavěný ITER za víc než 600 miliard korun je při příjezdu k jihofrancouzskému výzkumnému centru Cadarache vidět už z dálky. Několik jeřábů se tyčí nad areálem, jemuž vévodí vysoká tmavě prosklená budova. Okolo se to hemží stovkami dělníků a vědců v přilbách a žlutých vestách. Budují komplex, kde se postupně sestavuje největší tokamak světa. Přitom tady ještě před dvaceti lety byl jenom les.
Co se týče mezinárodních vědeckých projektů, dražší je už pouze vesmírná stanice ISS na oběžné dráze.
Areálem nás provádí Sabina Griffithová zodpovědná za komunikaci ITERu. Najednou se zastavuje u zhruba sedmimetrové konstrukce zahalené v lešení: „Uvnitř je první ze šesti modulů systému, který se stane tím největším a nejsilnějším magnetem v historii. Je v něm uloženo tolik energie, že by dokázal zvednout dvě letadlové lodě.“
Mohlo by vás také zajímat:
Podobné superlativy pak slyšíme každou chvíli. „Věříme, že fúze je bezpečné řešení nukleární energie. Neexistuje tu nebezpečí úniku radioaktivního materiálu, nebo jeho protavení ven jako v jaderných elektrárnách,“ dodává.
Kromě haly s reaktorem je tu víc než 20 dalších velkých budov. V některých se montují díly tak rozměrné, že je nemožné dopravovat je v kuse lodí, nebo po silnici. Jinde technici zprovozňují komplikované systémy pro chlazení supravodivých magnetů a nezbytná jsou i zařízení pro výrobu vodíkového paliva nebo zdroje pro ohřev plazmatu.
Teď, v polovině roku 2022, je monumentální projekt dokončený zhruba ze 75 %. Za pět nebo šest let by vědci chtěli zařízení poprvé spustit. Po dalších deseti letech očekávají, že dostanou od úřadů povolení využívat jako palivo tritium, tedy radioaktivní izotopy vodíku. Ty jsou nezbytné k tomu, aby zařízení dosáhlo energeticky ziskové fúze. Cílem je produkovat během pulsů trvajících několik minut desetinásobek energie dodávané do reaktoru.
Vedle států Evropské unie se na projektu podílí Čína, Indie, Japonsko, Jižní Korea, Rusko a Spojené státy. „Naším cílem je pomocí 50 megawattů dodávaného tepla produkovat 500 megawattů tepelné energie,“ vysvětluje Sabina Griffithová.
Svoji roli v projektu mají také odborníci z České republiky. Vědci z Ústavu fyziky plazmatu pomáhají studovat nestability v plazmatu, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT se zase podílí na nezbytném vzdělávání. Odborníků na fúzi je totiž celosvětově nedostatek. Absolventi fakulty se přitom uplatňují jako vědci, ale také jako inženýři schopní taková zařízení konstruovat a ovládat.
Experimenty, nikoli výroba elektřiny
ITER sám však není elektrárna. Do sítě nikdy elektřinu dodávat nebude. Cílem tohoto experimentálního zařízení je pouze ověřit v měřítku elektrárny proveditelnost fúzní výroby energie. Pomůže také vyvinout některé dosud chybějící technologie nebo materiály. První prototypy elektráren budou čerpat ze znalostí, jež ITER přinese. Ponesou název DEMO a podle plánů by svoje vlastní DEMO už měli stavět jednotliví partneři samostatně. V USA, Číně nebo v Rusku. Evropa chce dokončit svoji demonstrační elektrárnu v padesátých letech 21. století.
„Úkolem je v podstatě všechno kromě převodu na elektrickou energii. To my už umíme. Jsou tři hlavní věci, které nás dělí od toho, abychom měli termojadernou energii. První z nich jsou materiály, protože tady bude prakticky tři metry od sebe to nejteplejší a nejchladnější místo na Zemi. Takové podmínky jsou pro konstrukce nesmírně náročné. Druhá věc je výroba a koloběh tritia. Třetím nedořešeným problémem je velikost celého zařízení. Aby to fungovalo, musí to být co největší, jenže to s sebou nese řadu potíží. Úkolem ITERu je pomoci vyřešit většinu z těchto otázek,“ vysvětluje odbornice na termojadernou fúzi Jana Brotánková z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT.
Bezemisní, bezpečná a čistá energie
Termojaderná fúze je opakem jaderného štěpení. Zatímco v jaderných elektrárnách se těžké atomy uranu rozpadají pomocí řetězové reakce na lehčí prvky a tímto způsobem vzniká energie, při fúzi se naopak slučují lehké prvky v ty těžší. Během tohoto procesu se uvolňuje teplo, které je možné využít pro výrobu elektřiny. Lze jím ohřát vodu a vznikající pára pak roztočí turbínu jako v každé jiné elektrárně.
Palivem jaderných elektráren je většinou nedostatkový uran. Nejhorším odpadem pak jsou zejména radioaktivní izotopy, které dál svítí desítky tisíc let, a je potřeba je složitě ukrývat do hlubinných úložišť.
Naproti tomu palivem fúzních elektráren je vodík, kterého je všude kolem dostatek. Třeba ve vodě. Odpadem pak zejména neškodný plyn helium, jenž je možné dál průmyslově využívat. Fúze zkrátka neprodukuje žádné dlouho žijící a vysoce intenzivní radioaktivní odpady.
I to jsou důvody, proč se vědci a nejen oni k fúzi tolik upínají. Mohla by zřejmě vyřešit problém zdrojů. Jenže zároveň jde o technologii, která je doslova na hraně lidských možností. A formulace „do dvaceti let fúzi zvládneme“ se během posledních osmdesáti let stala spíš smutnou anekdotou.
Proč vývoj fúzních zařízení trvá tak dlouho a jak blízko jsme cíli?
Když se v 60. a 70. letech postavila větší fúzní zařízení, ukázalo se, že plazma se jen tak nedá zkrotit. Co je pro vědce největší překážkou?
Jako malé Slunce na Zemi
To hlavní, co se v areálu ITERu buduje, je tokamak. Každý, kdo ho chce navštívit, musí se obléci do bílé kombinézy, nasadit brýle, síťku na vlasy a helmu. Technici teď tokamak postupně sestavují. Musí poskládat jednotlivé jeho části jako gigantickou stavebnici, která má miliony dílů.
Uvnitř zařízení, které bude svým tvarem připomínat americkou koblihu s průměrem skoro 20 metrů, je potřeba rozžhavit atomy vodíku zhruba na 150 milionů stupňů Celsia. To je asi desetkrát víc, než kolik by ukázal teploměr v jádru Slunce. Izotopy nejlehčího prvku periodické tabulky se v těchto podmínkách dostanou do čtvrtého skupenství hmoty, promění se v plazma. Velmi podobná hmota tvoří naše Slunce.
Jádra vodíku zahřátá na tak extrémní teplotu divoce kmitají a při tom se čas od času srazí. A to přesto, že všechna mají díky svým protonům kladný náboj a přirozeně se silně odpuzují. Nesmírně vysoká teplota ale dodává částicím tak velkou energii, že některé toto odpuzování překonají. Pak se stane malý zázrak, který je podstatou svitu hvězd.
Tokamak: fúzní pneumatika
Název pro dnes nejpoužívanější a stále nejperspektivnější třídu fúzních reaktorů pochází z ruské zkratky výrazu „toroidní komora v magnetických cívkách“ (rusky „тороидальная камера с магнитными катушками“). Původ tokamaků lze totiž vystopovat do 50. let v bývalém SSSR.
Základem všech fúzních zařízení tohoto typu je komora ve tvaru nafouklé pneumatiky. Přesná velikost a poměry – tloušťka, obvod či průměr vnitřního otvoru – se mohou lišit, ale tvar je vždy stejný. Extrémně žhavé plazma se v této komoře udržuje pomocí kombinace magnetů na okraji komory a přesně řízeného průtoku proudu plazmatem (proud vytváří další pole, jež pomáhá plazma lépe udržet).
Základní schéma reaktoru typu tokamak. Vakuová komora je umístěna na jádru vzduchového transformátoru a je ovinuta magnetickými cívkami. Indukovaný proud v plazmatu a magnetické cívky společně vytvářejí šroubovicové magnetické pole.
Představení tokamaků v polovině 60. let minulého století bylo jedním z řady důležitých kroků, které současný fúzní výzkum dostaly až tam, kde je dnes. Není sice jisté, zda případné fúzní elektrárny budou mít ve svém srdci tokamaky, ale v tuto chvíli to vypadá jako nejjistější odhad. Jiné typy zařízení (stelarátory či zařízení na principu tzv. inerciální fúze) jsou o notný kus pozadu. Různých tokamaků se postavilo na celém světě cca 250, takže jsou suverénně nejlépe známé a prověřené.
Tokamaky samozřejmě mají své nevýhody. Například nikdo nepřišel na to, jak zajistit, aby v nich plazma mohlo být uzavřené na dlouhou dobu. Musí se vždy po nějaké době vypnout. Celé zařízení je totiž v podstatě obří transformátor, jenž zjednodušeně řečeno funguje jen tehdy, když se jeho výkon zvyšuje. A zvyšovat výkon samozřejmě nejde donekonečna. V jednu chvíli se tedy musí provoz zastavit, zařízení řízeně „vypustit“ a celý proces začít znovu.
Částice se v tokamaku dostanou tak blízko k sobě, že převládne mnohem mocnější síla. Takzvaná silná jaderná interakce. A dvě jádra vodíku se sloučí, čili zfúzují, v jeden těžší atom helia. Zároveň se ale maličký zlomek jejich původní hmoty promění přímo na energii. A té je překvapivě hodně. Popisuje to vzorec, který kdekdo nosí na tričku: E=mc2.
Množství uvolněné energie se tedy bude rovnat rozdílu v hmotnosti před fúzí a po ní. Jen je ještě třeba tento rozdíl vynásobit rychlostí světla na druhou, což je obrovské číslo, které má 17 řádů.
Teplota jako problém
O potenciálu termojaderné fúze věděli už vědci, kteří v projektu Manhattan ve 40. letech konstruovali první jadernou bombu. Nápad ale odložili a první vodíkovou bombu Spojené státy otestovaly až v roce 1952. V padesátých a šedesátých letech pak převládal značný optimismus, že se fúzi podaří zvládnout velmi rychle i pro mírové účely. Čím víc se o to ale fyzici pokoušeli, tím zřetelněji zjišťovali, že to je při tehdejších možnostech nad jejich síly.
Na Zemi neexistuje materiál, který by vydržel kontakt s hmotou rozžhavenou na desítky nebo stovky milionů stupňů. Nejnadějnější způsob je držet elektricky nabité plazma v magnetické pasti. Ovládat ho neviditelnou rukou magnetismu. Tento trik je proto také podstatou sovětského vynálezu: tokamak. Ten udržuje silné pole v několika směrech, čímž plazmu zkrotí. Jenže to má tendenci se rozpadat, všelijak se kroutit, vyhasínat a mizet.
Snažit se ho udržovat dostatečně zahřáté po dostatečně dlouhou dobu alespoň desítek nebo stovek sekund je jako balancovat se sto míčky na sobě a při tom stát jako fakír na rozpáleném uhlí. Úspěch fúze se tak neustále odkládal.
ITER měl být ukázkou spolupráce Východu a Západu
ITER neboli Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor má dlouhou historii plnou odkladů, diplomatických jednání a technologických překážek. Původní idea postavit takové zařízení vznikla při setkání amerického prezidenta Ronalda Reagana a generálního tajemníka ÚV KSSS Michaila Gorbačova v roce 1985. Fúze se měla vedle dobývání vesmíru stát dalším oborem, ve kterém se prokáže, že východní a západní blok jsou schopné spolu vědecky spolupracovat.
Stručná historie fúzního výzkumu
Po rozpadu Sovětského svazu tato myšlenka přestala být nosnou, přesto ITER pomalu dostával konkrétnější obrysy. Projekt prošel řadou revizí a zdržení. V roce 1998 ho například na čas opustily Spojené státy. Chyběly finanční prostředky, takže vědci museli seškrtat náklady zhruba na polovinu. Úměrně k tomu se zmenšilo i plánované zařízení. Nakonec se staví verze odpovídající návrhu z roku 2011. Ta je kompromisem mezi původními optimistickými plány a těmi krizovými.
Velká zdržení přinášely také tahanice o to, kde má experimentální reaktor stát. Zájem mělo Japonsko, Španělsko nebo Kanada. Všechny tyto země stály nejen o samotný reaktor, ale také o to získat významné investice pro svoje firmy a přitom být přímo u zdroje řady dílčích inovací, které mnohdy vůbec nesouvisí přímo s jadernou fyzikou. Nakonec po letech jednání zvítězilo právě jihofrancouzské Cadarache. Místo, kde lidstvo hodlá poprvé získávat energii stejným způsobem, jakým to dělá Slunce.
