Mohla by být definitivním řešením energetických potřeb lidstva. Jaderná fúze je opakem jaderného štěpení. Jde o to, sloučit jádra lehkých atomů, například izotopů vodíku deuteria a tritia do jednoho těžšího jádra. Pokud k tomu za vhodných podmínek dojde, uvolní se obrovské množství čisté energie. Na tomto principu získávají svoji energii všechny hvězdy včetně Slunce.
Americkým vědcům se poprvé v historii povedlo, že uvolněná fúzní energie převýšila energii vloženou do paliva. Ne nadarmo se zmíněné Lawrence Livermore Nation Laboratory (LLNL) občas žertem přezdívá „Lasery, Lasery Nic než Lasery“. Tým uvolnění energie dosáhl tzv. inerciální, či laserovou fúzí, která funguje na jiném principu, než jakým se ubírá většina odborníků na jadernou fúzi. Ti sázejí na tzv. magnetickou fúzi a zařízení zvané tokamak, kterých jsou po světě již desítky.
Celosvětové úsilí je namířeno do budování fúzního reaktoru ITER ve Francii. Současný průlom amerického týmu opět rozvířil diskusi na téma jaderná fúze. Co tento milník z laboratoře LLNL pro hledání nového zdroje energie znamená? A jak blízko jsme okamžiku, kdy do energetické sítě začne proudit elektřina z fúzních reaktorů? Odpovídá Radomír Pánek, ředitel pražského Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR.
Mohl byste, prosím, na začátku vysvětlit rozdílné principy jaderné fúze? Tedy ten, kterým se ubírá například nadnárodní projekt ITER (princip magnetické fúze) a naproti tomu princip laserové fúze, kterou razí výzkumné zařízení NIF (National Ignition Facility) americké LLNR.
Magnetická fúze a zařízení tokamak využívají velmi silné magnetické pole k udržení a izolaci horkého paliva ve stavu plazmatu uvnitř prstencové vakuové nádoby od okolního světa. Přitom plazma speciálním postupem ohřejeme až na teploty 150 milionů stupňů, abychom dosáhli podmínek zapálení termojaderné reakce. Plazma pak bude kontinuálně hořet a uvolňovat energii.
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.
Laserová fúze naopak využívá velmi výkonné lasery k prudkému ohřátí malé zmražené kuličky paliva umístěné do malé komůrky uprostřed obrovské kulovité vakuové komory. Vrchní vrstva kuličky paliva prudkým homogenním ohřátím exploduje a díky zákonu akce a reakce se pak zbytek kuličky naopak prudce stlačí, tzv. imploduje, a dramaticky zmenší svůj objem. Tím dojde k rychlému a extrémnímu navýšení hustoty paliva v kuličce. Pokud je tato komprese dostatečná a dojde ke splnění tzv. Lawsonova kritéria, nastanou podmínky pro zapálení fúzní reakce, která ve zlomku sekundy z paliva uvolní fúzní energii. Je to v podstatě velmi malá termonukleární bomba. V případě NIFu je na stlačení paliva použito 192 velmi výkonných laserů.
Schéma jaderné fúze za pomoci laserových paprsků v Lawrence Livermore National Facility
Budoucí fúzní elektrárna využívající laserovou fúzi bude čerpat energii z takovýchto mikrovýbuchů opakujících se několikrát za sekundu. Energii z každého výbuchu odvádět z vnitřní obálky komory a dále využívat.
„Koncept tokamaků je technologicky výrazně blíže k reálnému využití a stavbě první fúzní elektrárny.“
Průlom amerických vědců LLNL někteří bagatelizují, například Edwin Lyman, ředitel jaderné bezpečnosti v Union of Concerned Scientists, jej označil jako nepraktický. Naopak jiní, jako Mike Campbell z Laboratoří laserové energetiky Univerzity v Rochesteru prohlásil, že „jakmile věda prokáže, že něco může fungovat, můžete vyvinout mnohem lepší technologie“, a proto tento objev přirovnává k tomu, který učinili bratři Wrightovi. Jaký je váš pohled na věc?
Pravda je asi někde uprostřed. Inerciální případně laserová fúze, která se studuje na experimentu National Ignition Facility, představuje alternativní přístup k vývoji fúzní elektrárny. NIF je největší experiment svého druhu na světě. Je to ale z velké části experiment postavený pro vojenský výzkum. Výzkum jaderné fúze tam zabírá relativně malé procento experimentálního času, ale probíhá poměrně úspěšně. Nyní poprvé na světě vědci v NIF dokázali v rámci mikrovýbuchu vyprodukovat více energie, než do paliva vložili, což je zajisté veliký fyzikální úspěch. Je to významný pokrok v této oblasti, protože laserová komprese je extrémně složitá. Cesta od tohoto výsledku k fungující fúzní elektrárně je ale pro tento koncept ještě poměrně dlouhá, protože bude muset vyřešit dlouhou řadu technologických výzev.
Hlavní úsilí v této oblasti se u nás i ve světě zaměřuje na tzv. tokamaky neboli magnetickou fúzi. Tento koncept je technologicky výrazně blíže k reálnému využití a stavbě první fúzní elektrárny. Toto úsilí brzy vyvrcholí dokončením a spuštěním mezinárodního projektu tokamaku ITER, který sice bude stále ještě vědecký experiment, avšak už má prokázat, že všechny potřebné technologie pro fúzní elektrárny fungují a že dokážeme z fúzní reakce získat velké množství energie kontinuálně, tj. přes 500 megawattů po dobu desítek minut. V oblasti výzkumu tokamaku se dnes už z velké části řeší technologické problémy, zatímco laserová fúze se zatím ještě zaměřuje především na fyzikální procesy.
Vizualizace tokamaku ITER
Je jaderná fúze bezpečná, nebo skýtá nějaké nebezpečí?
Energii z jádra atomu můžeme získat dvojím způsobem:
Za prvé. Štěpením těžkých jader jako je uran nebo plutonium pomocí neutronů na lehčí jádra, které známe z dnešních klasických jaderných elektráren. Nevýhody jsou také obecně známé, jedná se o riziko jaderné havárie, produkci relativně velkého množství vysokoaktivního odpadu, který se musí stovky let skladovat, a také zásoby štěpného paliva na Zemi jsou omezené.
Za druhé. Fúzní reakce naopak spočívá v tom, že lehčí jádra, například typicky vodík a jeho tzv. izotopy, přinutíme sloučit na jádra těžší. Pokud k tomu sloučení dojde, uvolní se ještě výrazně větší množství energie. Je to reakce, která typicky probíhá ve hvězdách ve vesmíru včetně našeho Slunce a dodává jim energii.
Výhodou jaderné fúzní reakce je, že v pozemských podmínkách nemůže probíhat samovolně a fúzní reaktory jsou proto zcela bezpečné. Dosažení potřebných podmínek je totiž natolik složité, že v případě jakékoliv nestandardní situace reakce v reaktoru okamžitě zhasne a skončí.
Další výhodou je, že neprodukuje žádný vysokoaktivní odpad, který by se potom musel dlouhodobě skladovat. Produktem základní reakce deuteria-tritia je helium, bezproblémový a zcela bezpečný plyn.
Takže v případě tokamaku i laserové fúze se bude se jednat o nízkoemisní, bezpečný a téměř nevyčerpatelný zdroj energie. U tokamaků hoří termojaderná reakce kontinuálně, zatímco v případě laserové fúze bude docházet k periodickým výbuchům. Samozřejmě, že když se řekne, že se jedná o jaderné mikrovýbuchy, může to znít nebezpečně. Je ale třeba si uvědomit, že množství paliva, které exploduje, je extrémně malé – velikosti zrnka pepře. Takže reaktorová nádoba, kde se to odehrává, tyto mikrovýbuchy samozřejmě s velkou rezervou zvládne..
„Množství paliva, které exploduje při laserové fúzi, je velikosti zrnka pepře.“
Radomír PánekNarodil se v roce 1975 v Boskovicích. Vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu v Praze, kde získal i doktorský titul v oboru fyziky plazmatu (přesně interakce vln s plazmatem). Během působení na Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd, jehož je dnes ředitelem, absolvoval řadu zahraničních stáží v evropských i světových vědeckých laboratořích. Zastupuje Evropu ve Vědecké radě projektu ITER. Přednáší na několika českých i zahraničních univerzitách. |
Jak je náročné je získávat palivo pro fúzní reakci?
Paliva máme na zeměkouli v podstatě na tisíce roků. Deuterium se nachází v malém množství ve vodě všude kolem nás, dá se relativně snadno získat a je to bezpečný plyn. Druhá složka paliva – tritium – se v případě tokamaku i laserové elektrárny bude vyrábět přímo v elektrárně. Bude se vyrábět z lithia známého z běžných baterií, které je dostupné a také zcela bezpečné.
Jak lze vyvolat fúzní reakci?
Podmínky, které musíme splnit, jsou extrémní. Reakce probíhá v plazmatu, kterému se říká čtvrté skupenství hmoty. Je to vlastně plyn zahřátý na vysoké teploty, při kterých dojde k odtržení elektronů od jádra atomů, takže zvlášť existují záporně nabité elektrony a kladně nabitá jádra. To vše spolu velmi složitě interaguje. My musíme plazma v reaktoru vytvořit a poté musíme dosáhnout toho, aby jeho parametry splnily tzv. Lawsonovo kritérium. To znamená dosáhnout extrémních hodnot teploty a hustoty plazmatu nebo dlouhé tzv. doby udržení energie v plazmatu, nebo všeho dohromady. Tokamaky jdou cestou dlouhé doby udržení energie v plazmatu a extrémní teploty, zatímco laserová fúze jde především cestou dosažení extrémní hustoty plazmatu.
O jakých teplotách se bavíme?
Když se bavíme o tokamacích, dostáváme se k teplotě plazmatu přes 150 milionů stupňů Celsia. To je zhruba desetinásobek teploty v centru Slunce. V případě laserové fúze se podmínky pro zapálení dosahují primárně stlačením paliva lasery na extrémní hustoty plazmatu. Stlačení přitom vyvolá i ohřev paliva, takže v případě NIF je teplota paliva ve výsledku podobná, je vyšší než 130 milionů stupňů Celsia. Ale jedná se v tomto případě o extrémně krátký děj probíhající ve zlomku sekundy.
Reaktor ITER – největší termojaderný reaktor na světě, který předvede možnost energetického využití jaderné fúze. Plazma je udržováno v komoře ve tvaru věnečku uprostřed. Vpravo dole lidská postava pro představu měřítka.
Jak významná je fungující jaderná fúze pro vojenský průmysl?
Velmi záleží, o jakém principu pro dosažení fúzní reakce se bavíme. Tokamaky vojensky využít nebo zneužít víceméně nelze, bude to především neomezený a čistý zdroj energie. U laserové fúze v případě tzv. nepřímého zapálení, které využívá NIF, je zřejmá analogie s termojadernými zbraněmi a tyto experimenty slouží mimo jiné i k ověření jejich fyzikálních a matematických modelů. Nicméně v rámci Evropy se výzkum v oblasti laserové fúze záměrně zaměřuje pouze na tzv. přímé zapálení, které není pro vojenský průmysl využitelné.
Očekávalo se, že by Američané mohli přijít s tímto oznámením, nebo je to skutečně blesk z čistého nebe?
Není to tak úplně blesk z čistého nebe. Vědci v NIF jdou v posledních letech systematicky cestou postupného vylepšování experimentu, zvyšování výkonu laserů a zlepšování procesu stlačení paliva. To nyní vyústilo v oznámený rekord, ke kterému se postupně v posledních dvou letech přibližovali. V posledním experimentu energie z fúzní reakce překročila energii vloženou do paliva při jeho stlačování, což je zásadní fyzikální počin. Samozřejmě je ale potřeba si uvědomit, že například účinnost laserů byla menší než jedno procento. Proto bude třeba ještě velmi zapracovat např. na vývoji velmi účinných laserů s vysokým výkonem a vysokou opakovací frekvencí, aby byl tento koncept využitelný jako budoucí fúzní elektrárna.
Staveniště ITER v listopadu 2014
Staveniště ITER v roce 2022
Už se někdy dříve podařilo ve fúzní reakci dosáhnout milníku podobného významu?
Například v tokamaku JET, který provozuje Evropská unie ve Velké Británii se před rokem dosáhlo rekordu v uvolněné energii z fúzní reakce, kdy se podařilo generovat v průměru přes 11 megawattů po dobu asi pěti sekund. Zesílení bylo menší než 1, ale byl to kontinuální režim, kdy jsme dokázali udržet hoření fúzní reakce po dobu několik sekund a uvolnit nejvíce fúzní energie ze všech zařízení na světě včetně NIF. Takže každý z těchto výsledků je důležitý a postupně nás posouvá k realizaci komerční fúzní elektrárny.
Největším a nejdražším výzkumným projektem jaderné fúze je ITER, který stále není dokončený. Dá se říct, že jej experiment NIF laboratoře LLNL předběhl?
NIF se začal stavět v roce 1997 a spuštěn byl v roce 2009, zatímco stavba ITERu byla zahájena v roce 2006 a nyní je dokončována. ITER je rozsahem několikanásobně větší projekt a navíc vyžaduje všechna povolení jako standardní jaderná elektrárna, což celou realizaci výrazně komplikuje. I přesto stavba ITERu pokračuje poměrně úspěšně a stabilně, areál srovnatelný velikostí například s jadernou elektrárnou v Dukovanech je již téměř dokončen a v reaktorové hale se již skládá samotný fúzní reaktor. Délka realizace se může zdát na první pohled dlouhá, ale není o moc delší, než stavba klasické jaderné elektrárny, kterých se po světě již vybudovaly desítky. Rozdíl je v tom, že u ITERu je skoro každá součástka navíc součástí nějakého výzkumu, vývoje.
Montážní hala tokamaku ITER v září 2022
Stavba vakuové nádoby tokamaku ITER v září 2022
Pokud máme srovnat cíle těchto dvou projektů, NIF je především fyzikální experiment pro výzkum procesu stlačování fúzního paliva, zatímco ITER má sloužit již k ověření všech technologií potřebných pro fúzní elektrárnu s cílem produkce 500 MW po dobu minimálně desítek minut. Laserová fúze bude pravděpodobně muset pro ověření všech nezbytných technologií pro elektrárnu postavit v budoucnu „svůj ITER“, i když bude samozřejmě moci v řadě případů využít technologie vyvinuté pro tokamak ITER.
Tokamaky jsou v tuhle chvíli tedy mnohem blíž k reálnému využití a je v podstatě téměř jisté, že první fúzní elektrárna bude na tomto principu. Nicméně i výzkum v oblasti laserové fúze je důležité podporovat a ve vzdálenější budoucnosti mohou fúzní elektrárny využívající oba tyto koncepty dobře existovat vedle sebe.
„Komponenty musí odolávat extrémní tokům energie, podobným jako bychom je dlouhodobě umístili na povrch Slunce. “
Objevují se i názory, že ITER je v tuto chvíli již beznadějně zastaralý, nemá příliš smysl v něm pokračovat a je lepší prostředky nasměrovat například na projekty společnosti CFS, tedy zejména jako je ověřovací fúzní reaktor SPARC, respektive fúzní reaktor ARC. Co o těchto názorech soudíte?
Především ve Spojených státech v posledních letech vznikla spousta startupů a malých firem, které slibují spuštění prvního fúzního reaktoru za pět či sedm roků, a dokázaly získat obrovské prostředky od soukromých investorů. Tyto firmy nabízejí jak zdokonalení současných zařízení na principu tokamaků, laserové fúze atd., tak i zcela nová řešení. Zmíněná firma Commonwealth Fusion Systems vyvíjí v úzké spolupráci s Massachusetts Institute of Technology tokamak SPARC s použitím vysokoteplotních supravodičů. Jiné firmy naopak nabízejí různé zvláštní koncepty fúzních reaktorů bez záruky funkčnosti. Většinu těchto společností nicméně spojuje prezentace velmi nerealistických termínů a cílů a je proto v případě soukromých fúzních projektů nezbytná dostatečná opatrnost a ostražitost. Řada z nich navíc řeší pouze část problému a nezabývá se například procesem palivové soběstačnosti reaktoru, která je ale zcela zásadní a představuje jeden z hlavních úkolů v rámci projektu ITER.
Takže v žádném případě nelze říct, že by ITER byl zastaralý a beznadějný projekt. Naopak, ITER představuje velmi seriózní přístup k celé komplexní problematice fúzní elektrárny, za kterým stojí naprostá většina vědců aktivních ve fúzním výzkumu.
Pohled do komory tokamaku COMPASS „za chodu“, tedy s rozžhaveným plazmatem
V souvislosti s jadernou fúzí existuje celá řada dalších výzev, kterým vědci musejí čelit. Kupříkladu nové materiály. Dá se už nyní říct, co všechno budeme muset ještě vyvinout?
I v případě tokamaků je ještě nezbytné vyřešit na cestě k fungující elektrárně několik výzev. Jedna s nich je spojena s vývoje vhodných materiálů, které budou v kontaktu s plazmatem. Tyto komponenty musí odolávat extrémní tokům energie, podobným jako bychom je dlouhodobě umístili na povrch Slunce. Tento výzkum intenzivně probíhá a již existují materiály, které se tomuto cíli přibližují. Jde například o různé slitiny wolframu. Další slibnou technologií pro fúzní reaktor, kterou budeme testovat i v našem novém tokamaku COMPASS-U budovaném v Ústavu fyziky plazmatu AVČR, je tzv. technologie tekutých kovů. Jedná se o technologii, která zajistí, že se vrstva materiálu, která je v kontaktu s plazmatem, sama rychle obnoví v případě jejího poškození. Naše nedávné testy této technologie byly velmi slibné a nyní plánujeme její ověření v našem tokamaku COMPASS-U za podmínek podobných fúznímu reaktoru.
Dále je třeba v ITERu ověřit například vliv produktů (jáder helia) z fúzní reakce na hořící plazma, otestovat systém na potlačení plazmatických nestabilit v reaktoru a podobně.
Vizualizace tokamaku COMPASS-U
Ve kterém roce očekáváte, že se do distribuční sítě dostane první megawatthodina z fúzního reaktoru?
V rámci Evropy intenzivně spolupracuje přibližně 30 laboratoří na výzkumu na několika tokamacích, včetně našich tokamaků COMPASS a COMPASS-U. Veškeré naše úsilí tímto soustředíme na podporu a dokončení mezinárodního projektu ITER, na kterém se podílí celý rozvinutý svět, a který má prokázat realizovatelnost produkce velkého množství fúzní energie, konkrétně 500 megawattů fúzního výkonu po desítky minut. Ale jedná se pořád o experimentální zařízení, jeho cílem není ještě dodávat do elektřinu sítě, ale ověřit všechny nezbytné technologie, včetně výroby tritia z lithia uvnitř reaktoru, aby byly elektrárny palivově soběstačné.
Vizualizace vnitřku vakuové nádoby tokamaku COMPASS-U
Posledním plánovaným krokem bude posléze stavba demonstrační fúzní elektrárny již připojené do elektrické sítě, které se říká DEMO. Tento projekt si už ale připravuje nezávisle Evropa, Korea i Čína a půjde o jakýsi závod, která velmoc zvládne komerčně tuto technologii a tím i víceméně neomezený zdroj energie jako první.
V rámci Evropy již pracujeme na koncepčním návrhu této elektrárny DEMO, stavbu bychom chtěli zahájit v polovině 30. let a dokončit koncem 40. let. První elektřina z fúze v distribuční síti by tedy měla být někdy kolem roku 2050. Celý proces bude ale samozřejmě silně záviset na dostatečné finanční i politické podpoře tohoto výzkumu.
