Celá řada ropných společností podniká od začátku 21. století více či méně odvážné výpady mimo svůj obor, například investicemi do obnovitelných zdrojů. Ne vždy jde asi o snahu zcela vážně míněnou a může jít spíše o tvorbu korporátního obrazu, v jiných případech jde o investice skutečně dobrodružné, nejisté a snad i zajímavé.
Letos italský ropný gigant ENI investoval 50 milionů eur do start-upu Commonwealth Fusion Systems (CFS), který vznikl na slavné americké technické univerzitě MIT. A jak jste asi odhadli z názvu, jde o výzkum fúze, přesněji řečeno jaderné fúze.
Jak dostat jádra k soběPrincip jaderné fúze není vůbec nijak složitý: v reaktoru dochází k syntéze dvou atomů do jednoho atomu těžšího. Může se jednat o různé atomy, v současných plánech fúzních reaktorů se počítá se spojováním jader izotopů vodíku deuteria (2H) a tritia (3H), které „fúzují“ podstatně ochotněji než například jádra běžného vodíku. V každém případě při DT fúzi vznikne jeden neutron s energií 14,1 MeVa jedno jádro helia s menší energií cca 3,5 MeV. Při tom se uvolňuje energie, často v podobě neutronů urychlených na vysoké energie, které je v principu možné energeticky využít k výrobě tepla a elektřiny. V praxi jde o velmi složitý problém, protože slučování jader je analogií řečeno podobná práce jako snaha přiblížit dva magnety stejnými póly k sobě. Na Slunci šanci zvyšuje kombinace ohromného tlaku (fúze probíhá v jeho středu, ne u povrchu) a vysokých teplot. Na Zemi podobné tlaky nevytvoříme, a tak jdeme cestou zvyšování teploty: v největším fúzním projektu současnosti, tokamaku ITER, by teplota plazmatu měla dosahovat až 150 milionů stupňů. Většina fyziků dnes odhaduje, že energeticky ziskový fúzní reaktor musí být velký, s plazmovou komorou o rozměrech řádově desítek metrů. 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 ty se musí znovu ohřát, a to pak stojí více energie, než kolik uvolňuje fúze. |
Tento energeticky potenciálně velmi ziskový proces by mohl být základem zcela nového odvětví a základním zdrojem energie na dlouhou dobu dopředu, zatím je však pouze předmětem dlouhotrvajícího výzkumu a terčem fousatých vtipů. Ten nejznámější říká, že fúze je a vždy bude energetickým zdrojem budoucnosti.
Korporace ovšem smysl pro humor nemívají. A byť 50 milionů eur je samozřejmě pro společnost jako ENI drobný výdaj, dá se předpokládat, že i tak projektu předpovídá alespoň nějakou šanci na úspěch. Proč tak najednou? (Dodejme, že představitelé ENI v dubnu 2018 mluvili o možném navýšení investice, ale neupřesnili, o jakou částku by se mělo jednat.)
Commonwealth Fusion Systems (CFS) je spin-off, který se zrodil v laboratoři fúzní fyziky na technice MIT. Myšlenka uzrála zhruba před dvěma lety, firma vznikla krátce poté a její dnešní plány říkají, že by mohla během 15 let postavit fúzní reaktor řádově se zhruba 100MW výkonem. Klíčové výsledky by měla představit, či spíše zrealizovat, někdy během tří let.
Bohatýrských slibů už výzkum jaderné fúze zažil spoustu, v tomto případě jsou však méně velkorysé, než by se mohlo zdát. Kupodivu jde totiž o poměrně konzervativní projekt, který využívá nejlépe prošlapané cesty k fúzi – tokamaku.
Toto zařízení ve tvaru americké koblihy s otvorem („donutu“) vzniklo v SSSR 50. let a už desetiletí je považováno za nejslibnější prostředek k vytvoření fúzní energetiky.
Jde v podstatě o rafinovanou magnetickou past na plazma o vysoké teplotě i tlaku. Slučování jader totiž probíhá pouze za velmi vysokých teplot a tlaků, aby zúčastněné atomy měly dost energie překonat vzájemný odpor. Na Zemi nám dává největší šance slučování izotopů vodíku deuteria a tritia, který má „zapalovací“ teplotu zhruba 150 mil. stupňů. Při této teplotě se z atomů odtrhují elektrony a zbývající ionty mají dost energie na to, aby čas od času překonaly vzájemné odpudivé síly.
Schéma tokamaku. Hlavními částmi tokamaku jsou prstencová vakuová komora umístěná jako sekundární závit transformátoru a cívky magnetického pole. Transformátorem indukovaný elektrický proud v plazmatu vytváří spolu s magnetickými cívkami magnetické pole bránící kontaktu plazmatu se stěnou nádoby a současně plazma ohřívá.
Jak udržet plazmaTak horké plazma, jak je zapotřebí k dosažení vhodných podmínek pro fúzi, žádný materiál pochopitelně neudrží. A tak tokamaky využívají k izolaci superhorkého materiálu od stěn nádoby reaktoru „silového pole“, konkrétně pole magnetického. Tokamaky si při tom pomáhají průtokem elektrického proudu samotným plazmatem, který drží v komoře ve tvaru nafouknuté pneumatiky (toroidu). Koncept tokamaku může znít zbytečně složitě – proč vůbec indukovat proud v plazmatu, když se lze obejít bez toho? Ale indukovaný proud udržení ve skutečnosti velmi výrazně zjednodušuje, protože přidává do rovnice další magnetické pole. Dohromady tak vzniká pole žádoucího tvaru, které vede plazma z oblasti slabého do oblasti silného pole a opačně. Jinými slovy, nabízí se tak způsob, jak kompenzovat nerovnoměrnosti v magnetickém poli, které jinak v důsledku vedou k úniku plazmatu. |
Jak to tak bývá, koncepce tokamaku mé své vlastní technické problémy (třeba jak indukovat proud v plazmatu – střídavý režim se totiž nehodí a pulzní je časově omezený). Plazma je také nepředvídatelné a hodně chaotické prostředí. Dochází tu často k přetržení proudu, tím ke ztrátě schopností udržení a v důsledku tohoto kolapsu, a někdy i k poškození zařízení (tzv. disrupce). To jsou problémy, které konstruktéři a fyzici řeší už desítky let a postupně přicházejí s novými a novými vylepšeními, jež charakteristiky těchto zařízení poměrně významně vylepšují.
Velký a pomalý
Přesně proto i největší fúzní projekt současnosti, ve Francii stavěný mezinárodní reaktor ITER, na kterém se podílí zhruba 30 zemí včetně České republiky, je právě veliký tokamak. ITER by měl ukázat, že fúze může vyrábět o několik řádů více energie, než kolik potřebujeme k jejímu udržení. A že tedy jde o dost bohatý zdroj na to, abychom ho mohli skutečně někdy v blízké době reálně využít.
Ovšem ITER má celou řadu potíží. Složitá mezinárodní struktura projektu vedla k neustálým odkladům. Projekt začal v roce 2002 a reaktor už měl dnes pracovat, ve skutečnosti si na jeho spuštění počkáme nejméně někdy do roku 2025. A ještě několik dalších let bude trvat, než dosáhne svého plného výkonu a energetické ziskovosti. A to jsme ještě nezmínili, že projektu ITER během dlouhých let rozpočtových nemocí přišel o systém na výrobu elektřiny z fúzní energie a neexistuje možnost, jak takové zařízení do reaktoru přidat. Přitom to je jedna z klíčových komponentů, kterou zatím nikdo nezkoušel a kterou je nutné dokonale zvládnout.
Právě pomalá realizace ITERu je důvod, proč vznikl na MIT start-up CFS. Jeho zakladatelé ze Střediska plazmové a fúzní fyziky se domnívají, že mohou ITER předběhnout především díky jedné klíčové technologické výhodě, která dozrála do použitelné podoby během desetiletí stavby mezinárodního reaktoru. Mezinárodní reaktor kvůli komplikovaným schvalovacím procesům i svým rozměrům nemůže využít výhod materiálového pokroku posledních desetiletí. Zcela konkrétně jde o materiály pro jeho obří cívky, které vytvářejí magnetické pole kolem komory s plazmatem. ITER využívá osvědčené kovové slitiny niobu a cínu (Nb3Sn), které je nutné chladit tekutým heliem na teploty velmi blízké absolutní nule. (Kritický bod 18 K, chlazení heliem je zhruba na 4 K.)
CFS chce postavit reaktor nazývaný SPARC ze supravodivé keramické sloučeniny známé jako YBCO (jde o oxid mědi s ytriem a baryem). Byla objevena zhruba v půlce 80. let a pro výzkumníky v oboru představovala doslova požehnání, protože ji není nutné chladit heliem, ale podstatně levnějším dusíkem (kritický bod YBCO je 94 K, dusík je kapalný při 77 K). Důležité je, že z YBCO lze reálně postavit výrazně silnější magnety při menších rozměrech a CFS tak doufá, že byť bude mít jen čtvrtinový průměr proti ITERu a zhruba 60krát menší objem komory, magnetické pole jeho hlavních magnetů bude výrazně silnější: 22 Tesla proti 12 Tesla ITERu.
Malý tokamak Golem na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze. Je tu od roku 2007 a ukazuje, že postavit zařízení, ve kterém bude probíhat jaderná fúze, není až tak složité. Potíž je vyrobit zařízení, ve kterém by fúzi nebylo zapotřebí „dotovat“ dodáváním energie zvenčí.
Ale jde jen o odhad. Supravodič YBCO je sice známý více než 30 let, ale technologii výroby vodičů z tohoto materiálu se podařilo zvládnout jen v několika posledních letech a samozřejmě velmi malému okruhu podniků a pracovišť. Tak veliké a silné magnety z něj také nikdy nikdo nepostavil, a tým CFS se tak vydává obrazně řečeno do konstruktérské divočiny. A takové výpravy mohou dopadnout všelijak.
Neznámá také není jen jedna. Reaktor SPARC má stejně jako ITER využívat coby paliva tritium a deuterium. Při reakci se ovšem uvolňuje množství neutronů s vysokým energiemi, které degradují materiál fúzní nádoby a vytvářejí v něm mimo jiné i radioaktivní izotopy.
Dnešní velké tokamaky někdy neutrony odstiňují jednoduše silnou vrstvou betonu, ale takový systém neumožňuje využít energii těchto částic. ITER bude mít zatím nikde nevyzkoušené vodní chlazení (velmi zjednodušeně řečeno). SPARC by měl využít chladicího systému obsahujícího sůl s vysokým bodem tání, což je metoda využívaná v některých experimentálních jaderných reaktorech. Ale asi už vás nepřekvapí, že na tokamaku ji ještě nikdo nezkoušel.
Jinak řečeno, CFS před sebou má spoustu práce, na kterou investice od ENI nepochybně nebude stačit. Což samozřejmě všichni vědí: představitelé ropné společnosti se nechali slyšet, že celkové náklady na vývoj možného prototypu odhadují na 3 miliardy eur, což dobře naznačuje, o jak nebezpečný a riskantní projekt pro soukromé investory jde. Udržet jeho financování po nezbytnou dobu rozhodně nebude nic jednoduchého ani v případě, že by podpora ENI vydržela i nadále, a všichni účastníci už dnes říkají, že v případě úspěšné první fáze doufají ve státní podporu.
Zakladatelé Commonwealth Fusion Systems z MIT: Martin Greenwald, Dan Brunner, Zach Hartwig, Brandon Sorbom, Bob Mumgaard a Dennis Whyte.
Na druhou stranu jaderná fúze je tak veliký sen, že si zaslouží nepochybně i novátorské přístupy – a také pružnější přístup, než který charakterizuje moloch ITER. A nejen ENI doufá, že technologie předbíhá pomalu se točící mlýny mezinárodního projektu a že do malých, pružnějších projektů jaderné fúze investují i další. Například dnes nejbohatší muž planety, zakladatel Amazonu Jeff Bezos, dlouhodobě a zcela stranou veřejného zájmu podporuje společnost General Fusion. Spoluzakladatel Microsoftu Paul Allen zase malou společnost známou jako Tri Alpha.
Možná je budete považovat za jen za „hračky“ miliardářů, kteří mají peněz nazbyt. Ovšem sami někteří fyzikové a konstruktéři z ITER, se kterými měl autor možnost mluvit, přiznávají, že minimálně některé tyto „šílenosti“ jsou dobře promyšlené.
Jisté je jen to, že sen o „hvězdě v termosce“ stále neumírá, a řada lidí je evidentně přesvědčena o tom, že už je opravdu na dosah. Fakt, že k tomu dokázali získat mimo jiné i těžaře ropy, může být jen příznakem nejisté doby v energetice, kdy tradiční společnosti tápou. Ale možná to také znamená, že jsme se opravdu dostali do fáze, kdy jaderná fúze stojí za malou sázku.
