České „umělé slunce“ definitivně zhaslo. Za libru ovšem odvedlo spoustu práce

Největší „umělé slunce“, mezinárodní fúzní reaktor ITER, bude stát zatím blíže neurčené desítky miliard eur. Vyrůstá v romantické jihofrancouzské krajině a zhruba 50 metrů vysoká montážní hala se zrcadlovým povrchem je vidět z mnohakilometrové dálky. Vypadá jako fata morgana rozkročená mezi současností a budoucností.

To k největšímu českému fúznímu rekatoru se dá dojet metrem. A koupili jsme ho v podstatě za cenu jedné jízdenky do pražské MHD.

Zařízení, které stojí v areálu v pražských Kobylisích, se nazývá COMPASS. Je to vlastně velká magnetická pec. V komoře se pomocí velmi silného magnetického pole udržuje plazma, klidně si ji představte jako velmi řídký plyn ohřátý na teplotu řádově desítky milionů stupňů Celsia.

Podmínky jsou v reaktoru tak extrémní, že tu občas jádra atomů dokážou překonat svůj velmi silný vzájemný odpor a spojí se. Přitom se uvolní energie. A tak ve veliké zkratce funguje jaderná fúze, proces, který dodává energii všem hvězdám. A mimochodem také umožnil i vznik života na naší planetě.

Všechny prvky těžší než vodík totiž vznikly primárně právě fúzí lehčích atomů v jádru hvězd. Z nich se pak uvolnily do okolí během explozí všemožných nov, supernov a hypernov (tento výraz v astronomii opravdu existuje).

O fúzi jako „energii budoucnosti“ už v minulosti slyšel každý z nás. Někteří asi mnohokrát, protože tak se o ní mluví již od 50. let minulého století. Praktické zvládnutí je ještě daleko, nejméně další desítky let.

COMPASS tak není žádnou elektrárnou. Na svůj provoz spotřebuje několikanásobně více energie, než se v něm spojováním jader uvolní. Jde jen o výzkumné zařízení, ve kterém spojování jader probíhá vlastně poměrně sporadicky.

Či správně řečeno probíhalo. Největší české „umělé slunce“ se naposledy rozsvítilo v pátek 20. srpna 2021 – po zhruba 12 letech provozu a 21 tisících výbojích plazmatu. „Nyní ho kolegové rozebírají a odstrojují. Tak za měsíc a půl až dva měsíce bude hotovo,“ říká Radomír Pánek, ředitel Ústavu fyziky plazmatu, kde tokamak pracoval. Tím zřejmě skončí i příběh zařízení, které ve střední Evropě našlo šťastný druhý domov.

COMPASS byl uveden do provozu v laboratoři v anglickém Culhamu počátkem 90. let. Patřil mezi tzv. tokamaky, jak se označuje typ fúzních reaktorů původem ze SSSR s komorou ve tvaru nafouknuté duše traktorové pneumatiky.

Britové se ovšem v 90. letech rozhodli experimentovat na trochu odlišném typu zařízení, tzv. sférickém tokamaku. Na provoz dvou zařízení finance nebyly, ale zařízení mělo vědcům přitom ještě co nabídnout. Aby jeho potenciál nepřišel vniveč, Britové ho nabídli k „adopci“ v rámci evropského sdružení EURATOM.

Češi se přihlásili, a tak COMPASS v roce 2007 doputoval do střední Evropy za symbolickou jednu libru. To byla ovšem pouze cena „dobírky“. Pro zařízení vznikla hala a další infrastruktura za 300 milionů korun. Za to jsme nakonec získali zařízení, které nikdo z našich sousedů dnes už nemá. Mezi Německem a Ruskem je dnes ve výzkumu jaderné fúze tak trochu „černá díra“, kterou pomohl zaplnit právě COMPASS.

Nový tokamak také dokázal probudit obor, který v Česku trochu spal. Naše země v minulosti nikdy ve výzkumu řízené fúze měl dobrou úroveň, byť jsme byli příliš malá země na to, abychom se zařadili na samotnou světovou špičku. Ovšem po pádu železné opony následoval jasný úpadek. Vždyť do roku 1989 se u nás výzkum soustředil především na spolupráci se SSSR. Nástupnické Rusko ale nemělo prostředky obor nějak dále rozvíjet a hlavní roli začala hrát západní Evropa, se kterou Čechoslováci neměli navázané kontakty.

Ve větším rozsahu se spolupráce rozjela až v roce 1999, kdy jsme se stali součástí evropského sdružení EURATOM. „To pro nás znamenalo velký skok už jen proto, že jsme díky tomu získali prostředky na vysílání našich pracovníků na stáže do zahraničí,“ říká Radomír Pánek.

Druhým klíčovým zlomem pro český fúzní výzkum pak byl již zmíněný příchod COMPASSu a jeho zprovoznění v roce 2008. Zařízení se povedlo bez velkých prostojů a problémů uvést do provozu. Rychle se na něm rozběhl i výzkum, a to poměrně úspěšný.

Díky určité technické podobnosti zařízení s plánovaným velkým tokamakem ITER některé výsledky z Česka ovlivnily i části návrhu tohoto mezinárodního zařízení, které má být prvním krokem ke stavbě skutečných fúzních elektráren.

Ve stavbě tak komplikovaného a náročného projektu jako je ITER, se musí řešit i řada problémů, se kterými právě třeba COMPASS mohl významně pomoci. A tak se například díky sérii detailních měření teploty na různých místech tzv. „první stěny“ COMPASSu (tj. stěny komory s plazmatem) vylepšil návrh tvaru stejné části mezinárodního tokamaku. „Bez bez výsledků z COMPASSu pravděpodobně ITER nemohl dosáhnout projektovaných parametrů,“ domnívá se Radomír Pánek.

Tým kolem COMPASSu si spoluprací se zahraničím pomohl zajistit financování a postupně se rozšiřoval. Na pražském ČVUT se podařilo otevřít i studijní obor věnující se jaderné fúzi a jejím technickým aspektům, ne jen těm čistě fyzikálním.

„V polovině první dekády jsme měli na oddělení nějakých 20 až 25 lidí, a věkový průměr byl dost vysoký. Teď jich je zhruba stovka, přihlásila se spousta mladých a v poslední době se hlásí další,“ říká Radomír Pánek. Což se může zdát poněkud zvláštní, když tokamak, na kterém odborníci pracovali, právě ukončil provoz. Ale s koncem COMPASSu by mělo začít i něco nového: Na jeho místo se tlačí mladší a výkonnější dědic.

Na místě dnes již definitivně vychladlého COMPASSu vzniká tokamak nový. Projekt se označuje sice jako COMPASS Upgrade (případně COMPASS-U), ale tento název trochu mate. Jak jsme viděli, „srdce“ tokamaku, tedy samotná vakuová komora, ve které se drží plazma, bude úplně nová.

Zůstanou části infrastruktury, ale celá řada systémů (napájení, měřící přístroje a další části) se musí stavět znovu. Nové zařízení bude například výrazně vyšší. Hala se musí o patro zvýšit. Vedle stávající haly vznikne také další, třípatrová budova, ve které bude například zdroj elektrické energie.

Projekt, který i tak dostal název COMPASS Upgrade, se rozběhl v roce 2017 a měl by být dokončen zhruba v polovině roku 2023. Vzniknout by mělo zařízení, které v některých parametrech nemá na světě obdoby.

Nový „upgradovaný“ COMPASS by totiž měl zaplnit jistou mezeru mezi stávajícími fúzními zařízeními. V současnosti totiž neexistuje ve světě zařízení, které by mělo stejně silné magnety jako mnohokrát zmiňovaný ITER. Právě silné magnety by přitom měly být základem ke zvládnutí velkého praktického problému podobných zařízení – neposlušného plazmatu.

Když se totiž zhruba před půlstoletím fyzici poprvé reálně pokusili napodobit hvězdné procesy na Zemi, velmi je překvapilo, jak těžké je ho udržet v klidu. Původně se předpokládalo, že bude stačit jednoduchá magnetická klec, ve kterém plazma zůstane pevně uvězněno. My budeme jen „přihřívat“, až bude tak horké, že v něm začne vznikat více energie, než se do něj vkládá.

Ale optimismus vědců opadl tváří v tvář experimentálním výsledkům z prvních větších fúzních reaktorů, Zůstaly po něm jen kritiky snahy o ovládnutí fúze často vysmívané sliby o tom, že „zvládnutí energie hvězd je otázkou příštích několika desítek let“.

Ukázalo se totiž, že snahy o ohřívání plazmatu vedou k jedinému – vyšším ztrátám. Přesněji k vyšší intenzitě turbulencí v plazmatu a tím k rychlejšímu úniku energie z něj. Čím více se pod tokamaky přikládalo, tím rychleji se z nich energie ztrácela.

Obor byl roky téměř paralyzován, optimismus zcela opadl. Na začátku 80. let se ovšem začala rýsovat naděje, když se v podstatě náhodou podařilo objevit způsob, jak problém vyřešit. A to v podstatě jen díky změnou podoby magnetických polí, které ho drží. (Nový způsob udržení plazmatu dostal název H-mód.)

Výkony tokamaků zase poskočily vzhůru – a objevily se nové problémy. I nový „mód“ fúzních reaktorů měl totiž své slabiny. Objevují se při něm nečekané „výtrysky“ plazmatu až ke stěně reaktorové nádoby. U malého experimentálního zařízení nepředstavují problém, plazma nemá tolik energie. Ale jsou nepředvídatelné a nepříjemně časté. A ve skutečné elektrárně s mnohem větším výkonem by v sobě měly tolik energie, že by její stěnu – a tím i provozní výsledky a ekonomiku – brzy zničily.

Zhruba před dekádou se ale objevilo možné elegantní řešení. Výsledky tokamaku Alcator C-Mod, který pracoval na půdě americké technické univerzity MIT, ukázaly, že řešením by mohly být velmi silné magnety.

Alcator byl jako jediné zařízení svého typu schopen generovat velmi vysoké magnetické pole až osm tesel (8 T). Jemu vděčíme za pozorování, že pokud je plazma v poli drženém alespoň zhruba pěti tesel, „uklidní“ se. Ztrácí málo energie a prakticky se neobjevují nepříjemné výtrysky, které by mohly poškodit stěnu.

Reaktor ITER má pracovat s magnetickým polem trochu vyšším než pět tesel a může těchto výhod využít. Otázkou je, jak přesně. Vědci totiž o udržení tak horkého plazmatu v silném magnetickém poli neví zdaleka všechno, a možná ani ne dost.

Alcator musel v roce 2016 nečekaně skončit, protože náhle přišel o provozní podporu. Na ITERu se nikomu příliš experimentovat nechce. Nejen že je na to trochu drahý, navíc na to není ani z čistě technických důvodů úplně vhodný.

Světu tak chybí reaktor se silnými magnety, na kterém by se daly levně, tedy relativně levně, zkoušet a ověřovat, co vlastně silné magnety s plazmatem (ne)umí. Tady přichází ke slovu český COMPASS Upgrade.

Tento zhruba 300tunový reaktor by měl být schopen pracovat s magnetickým polem přes 5 T. Bude na to potřebovat magnetické cívky ze speciálního typu mědi, které se budou chladit na teplotu kolem -180 °C, aby snesly průtok plánovaných 200 tisíc ampérů (A). Napájení reaktoru zajistí několik rázových generátorů, které po dobu několika sekund budou dodávat výkon až 250 MW, tedy cca polovinu výkonu jednoho dukovanského bloku.

Není navržen tak, aby třeba na rozdíl od ITERU dokázal plazma udržet dlouho. I proto jeho magnety nejsou ze supravodivého materiálu (tedy materiálu, který nemá žádný elektrický odpor, a tedy žádné ztráty). Nový COMPASS bude určen ke kratším zážehům, během kterých se budou zkoumat dílčí, ale často důležité problémy praktického provozu reaktorů.

Kromě vlivu silného magnetického pole na plazma to třeba bude otázka „odpadního tepla“. Na pražském tokamaku se například chystají zkoušky ochranných materiálů pro stěny. Konkrétně materiálu pro místa, kde má z tokamaku odcházet teplo, které se v něm nepodaří udržet.

Komora je navržená tak, aby únik tepla probíhal v jednom přesně daném místě (na tzv. divertoru). Předpokládá se, že u elektráren budou materiály v této části dlouhodobě snášet tepelnou zátěž podobnou jako na 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 dnes vyvíjí – a třeba i na novém COMPASSu se mají prakticky ověřovat – způsoby, jak tento problém vyřešit.

Ze všech těchto důvodu projekt nového COMPASSu sleduje se zájmem i zahraniční vědecká obec. Pražský tokamak se s největší pravděpodobností stane „oficiálním“ (tzv. konsorciálním) zařízením evropské kolaborace EUROfusion. Ta bude hradit část provozních nákladů zařízení výměnou za experimentální čas pro evropské vědce.

Zájem mají i Spojené státy, které si svůj tokamak se silnými magnety kvůli financím samy odstavily. Na přípravě českého zařízení tak v tuto chvíli z našeho pohledu „zadarmo“ spolupracuje skupina špičkových odborníků z Princetonu.

Za práci jim platí americké ministerstvo energetiky, které za to pak dostane experimentální hodiny na zařízení. Není to pro projekt zásadní, ale podobných případů, kdy americký stát de facto dotuje českou vědeckou infrastrukturu výměnou za přístup k ní, jsou opravdu výjimečné.

Původní COMPASS, který svými výsledky nástupci připravil cestu, v tuto chvíli čeká nejasný osud. Mohl by ještě produkovat zajímavé vědecké výsledky, ale podobně jako Britové před léty, ani Češi nemají prostředky na provoz dvou tokamaků. I čeští vědci hledali zájemci, kteří by mu dali třetí život.

Ještě nedávno se zdálo, že vše je všechno na dobré cestě. Tokamak měl najít útočiště v portugalském Lisabonu. Ale nakonec z toho sešlo.

„V důsledku covidové krize přišli tamní kolegové o přislíbené prostředky,“ říká Radomír Pánek. Ve hře byli ještě i zájemci z Číny, ale přesun do Asie se údajně ukázal jako příliš komplikovaný. A tak se v tuto chvíli zdá nejpravděpodobnější, že britského vyděděnce, který u nás tak zdomácněl, čeká cesta buď do šrotu nebo do muzea.

Oprava: Text v jednom případě chybně uváděl, že COMPASS byl jediný český tokamak. To není pravda, stále ještě funguje také malý tokamat Golem na půdě Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT.