Investoři větří funkční fúzní elektrárny. Do oboru začali nalévat miliardy

Nálada se změnila. Už cítíme, že jsme blízko cíle. Tak shrnul nedávno německý fyzik Thomas Klinger pro časopis Nature dnešní stav výzkumu jaderné fúze. Téměř nevyčerpatelný, a přitom téměř dokonale čistý zdroj energie, má být na dosah ruky.

Po desetiletích marných – byť často upřímně míněných – slibů prý už konečně tato technologie nemá daleko do praxe. Lidstvo by prý mohlo dokázat zvládnout řízeně typ procesu, který pohání všechny hvězdy, tedy slučování jader různých atomů spojené s uvolňováním ohromného množství energie. (Neřízeně už je využíván v termonukleárních hlavicích.)

Cíl je údajně tak blízko, že k jeho dosažení není zapotřebí velkých mamutích projektů s širokou mezinárodní podporou s rozpočty v řádech stovek miliard korun. Podle některých hlasů k němu mohou rychleji dospět pružné a akceschopné soukromé společnosti.

Na celém světě je tak dnes už několik desítek více či méně mladých společností, které mají v programu vytvoření „umělého slunce“ na Zemi. Historicky vůbec první zpráva o stavu „fúzního průmyslu“ identifikovala 35 takových společností.

Na základě odpovědí od firem z dotazníku autorů zprávy (bylo jich 28 z 35), vyplývá, že do tohoto oboru plynulo od 90. let 20. století zhruba 1,9 miliardy v soukromých investicích. O několik týdnů později bylo nutné údaj výrazně poupravit. Jedna ze společností v oboru – americká Commonwealth Fusion Systéms – získala v dalším investičním kole od investorů příslib na 1,8 miliardy dolarů.

Kdo peníze do fúze dává? Především jde o investory, kteří si mohou dovolit riskovat. Ale také jde často o investory poučené a zkušené. Podíly v několika firmách z oboru, včetně právě zmíněného CFS, má například společnost Google.

Proč se v posledních letech množství investic navýšilo? Faktem je, že obor se zdá být blízko důležitému milníku. Po desetiletích postupných vylepšování i několika doslova zásadních vylepšeních se zdají být současná fúzní zařízení velmi blízko bodu, kdy budou alespoň v jistém ohledu „zisková“.

Nehovoříme teď samozřejmě o penězích, nýbrž ve smyslu fyzikálním: Blížíme se poměrně blízko bodu, kdy by se v komorách fúzních reaktorů mohlo poprvé uvolňovat více energie, než kolik bylo zapotřebí k ohřátí hmoty v něm na nezbytné teploty (cca kolem 100 milionů stupňů a výše).

To se zatím nikdy nepodařilo; nikdy v podobném reaktoru nevznikalo více energie, než kolik do něj provozovatelé dodávali, aby teplotu udrželi dostatečně vysoko. Nejlepší návratnost byla zhruba 70 procent, což znamená, že na ohřev bylo zapotřebí cca o necelou třetinu více energie, než kolik v něm probíhající fúze vytvářela.

Fyzikové jsou ovšem přesvědčeni, že k překonání hranice energetické návratnosti chybí opravdu málo. Na druhou stranu v tuto chvíli stále ještě existují různé názory na to, jak by mohly fúzní elektrárny vypadat. O peníze investorů a své místo v učebnicích se uchází různé týmy a různé přístupy k problému.

Nejbohatším fúzním start-upem současnosti je již zmíněný americký CFS. Ten jsme představovali v nedávném článku, a tak nyní jen krátce. Firmu založili odborníci z univerzity MIT, frustrovaní uzavřením svého výzkumného fúzního reaktoru z rozpočtových důvodů v roce 2016.

V roce 2018 založená společnost tak v podstatě pokračuje tam, kde tým z MIT skončil. Pracuje na vylepšování zařízení, které je již desetiletí hlavním tahounem výzkumu řízené termojaderné fúze. Jde o tzv. tokamak, což je v podstatě dosti rafinovaná elektromagnetická past ve tvaru nafouknuté pneumatiky.

Společnost CFS chce postavit tokamak nazývaný SPARC, který bude mít v řadě ohledů tradiční design. Největší inovací má být použití magnetů ze supravodivé keramické sloučeniny YBCO (oxid mědi s ytriem a baryem). Ta je známa necelých 40 let, ale nikdo ji nevyráběl v objemech, které by stály za řeč. Byla to laboratorní „hračka“, v posledních několika letech sem ale pomalu začíná produkovat aspoň v takovém množství, aby CFS mohla z tohoto materiálu vyrobit funkční několikametrový magnet s opravdu zajímavými parametry.

Tento materiál při nízkých teplotách funguje jako supravodič: Jak se tedy tento elektromagnet jednou „nabije“, funguje dlouhou dobu (v praxi dnes dny či týdny) stále stejně. Jinak řečeno: „zapnutý“ samotný nespotřebovává žádnou energii. V supravodičích se totiž elektřina pohybuje zcela beze ztrát. Supravodič je ovšem nutné neustále udržovat na dostatečně nízké teplotě, takže energetiky „zadarmo“ celý proces není.

Pro hypotetickou elektrárnu jsou supravodivé magnety prakticky nezbytné. Aby udržely horkou hmotu v reaktoru na vytyčeném místě, musí být extrémně silné. Kdyby nebyly supravodivé, spotřebovaly by spoustu elektřiny.

Supravodivých materiálů známe řadu, YBCO patří mezi „vysokoteplotní“ supravodiče. Tuto vlastnost si zachovává i při teplotách maximálně kolem -179 °C. Laik by to za „vysokou“ teplotu asi neoznačil, ovšem z fyzikálního hlediska to je podstatný rozdíl proti většině jiných supravodičů. Ty si tuto vlastnost většinou zachovávají pouze v blízkosti absolutní nuly, tedy ještě při teplotách o nějakých 100 stupňů Celsia (či Kelvinů) nižších.

Teploty z „vysokoteplotních“ supravodičů by tedy potenciálně mohly vést ke zvýšení výkonů a zlevnění provozu tokamaků. Na to sází nejen CFS, ale také třeba britská společnost Tokamak Energy. Na investicích získala zhruba 200 milionů dolarů a chce postavit menší, kompaktní sférický tokamak s podobnými magnety jako CFS, jen z jiného materiálu.

Rozmach soukromých investic do fúze s sebou ovšem také nese jeden zajímavý efekt – dostává se prostoru i méně tradičním nápadům. Pro příklady nemusíme chodit daleko, druhou „nejbohatší“ firmou na našem seznamu je TAE Technologies (dříve Tri Alpha Energy), která zatím vybrala cca 800 milionů dolarů.

Vznikla v roce 1998, ovšem až do roku 2015 byla prakticky neviditelná, dokonce ani neměla vlastní webové stránky. To už dnes samozřejmě neplatí, a firma dokonce poněkud netypicky publikuje řadu podrobností o svém výzkumu v odborné literatuře (seznam prací má na svých stránkách).

Zařízení firmy využívá nápadu, který pochází zhruba z poloviny 20. století, věnoval se mu však málokdo. V podstatě jde o kombinace urychlovače částic v kombinaci s magnetickou komorou, která se označuje jako „konfigurace s reverzním magnetickým polem“ (anglicky Field Reversed Configuration, čili FRC).

V zařízení jsou dva urychlovače, které vystřelují částice plazmatu do středové komory vysokou rychlostí. Takovou, aby při srážce dvou částic mohlo dojít ke spojení jejich jader. Problémem je, že i když dojde ke srážce, ve většině případů se částice od sebe jen odrazí. A tak je nutné vytvořit nějakou magnetickou „past“, která částice udrží dost dlouho na to, aby měly šanci se srážet (a tedy spojovat) opakovaně.

V případě reaktorů TAE Technologies má plazma zhruba tvar kroužku dýmu z fajfky, který drží pohromadě nutnou dobu (řádově jednotky milisekund) jak magnetické síly, tak rotace, jež mu udělují pod přesně určeným úhlem vstřelované částice.

Zatím má firma ovšem poměrně daleko k dosažení nutných parametrů. Údajně ve svých experimentálních zařízeních dokázala udržet své „dýmové kroužky“ po nezbytně dlouhou dobu, ale nedosahuje v nich nutných teplot. Ty by měly dosáhnout těžko představitelných tří miliard stupňů (TAE chce spojovat jádra bóru s protony, což vyžaduje vyšší teploty než obvyklé fúzování jader izotopů vodíku). Zatím nejvýkonnější zařízení společnosti, reaktor C-2W „Norman“, dokáže udržet plazma o teplotách kolem 50 milionů stupňů.

I třetí firma na našem žebříčku používá podobnou metodu. Je jí Helion Energy, která letos na podzim oznámila, že získala od investorů příslib téměř 500 milionů dolarů. Cílem jejího vývoje je fúzní reaktor, ve kterém se „vystřelují“ malé obláčky rozžhaveného plazmatu proti sobě do magnetické komory tak, aby se spojily. Pak je ještě stlačí silné magnetické pole (12 Tesla), aby v něm vznikly podmínky nutné pro slučování jader ve větším měřítku.

Další variaci na podobné téma pak vyvíjí společnost General Fusion. Experimentuje s přístupem, který se zkoušel v 70. letech minulého století ve výzkumných laboratořích amerického námořnictva a nazývá se „fúze zmagnetovaného terčíku“ (Magnetized Target Fusion).

V jádru zvažovaného zařízení je rotující komora z části naplněná směsí tekutého lithia a olova. Během rotace se v kovu vytvoří vír, do jehož středu se trubicí vstříkne předem připravená směs horkého nabitého plazmatu.

Ve stejnou chvíli do kovové koule v komoře najednou (a opravdu v podstatě najednou) udeří stovky pístů (experimentální reaktory tohoto typu připomínají kvůli nim ježka, jak můžete vidět na snímku pod tímto odstavcem). Rychle se šířící rázová vlna kov obrazně řečeno sevře a stlačí na krátkou dobu tak velikou silou, že se v něm vytvoří podmínky pro fúzi atomových jader.

Celý koncept zní nepochybně fantasticky a zbývá vyřešit ještě řadu technických potíží. General Fusion ale má i podle jiných odborníků schopný tým, kterému se alespoň zatím daří překážky překonávat. Ostatně firmě se podařilo přesvědčit britské úřady, konkrétně agenturu UKAEA, k tomu, aby souhlasila se stavbou velkého experimentálního reaktoru tohoto typu v již jednou zmíněním středisku výzkumu fúze v britském Culhamu.

V podstatě všechny soukromé společnosti mají ovšem jedno společné – ambiciózní harmonogramy. Například společnost CFS chce svůj první tokamak SPARC mít údajně v provozu v roce 2025. Někdy ve 30. letech by už chtěla mít první zařízení určené k výrobě energie, o kterém dnes mluví jako o „elektrárně“.

Helion Energy začala se stavbou prvního většího zařízení v červenci roku 2021. Má mít parametry, kterým se nikdo zatím příliš nepřiblížil, hotovo by mělo být v roce 2024. A během několika dalších let (na dobu někdy po roce 2030) odhaduje dokončení prvního demonstrátoru (zjednodušeně prototypu) skutečné elektrárny. General Fusion chce obdobný demonstrátor spustit někdy na konci 20. let, aby „se dalo rychle přejít ke komercializaci,“ řekl nedávno šéf firmy Michl Binderbauer pro CNBC.

Autorům již zmíněné zprávy o stavu fúzního odvětví většina soukromých společností odpověděla, že jejich časový odhad je podobný. Více než dvě třetiny firem uvedlo, že podle jejich odhadu by se elektřina vyrobená z termojaderné fúze mohla dostat do sítě v roce 2030. Zhruba 20 % z nich uvedlo, že to bude spíše ve 40. nebo 50. letech tohoto století.

Odhady odborníků z veřejných výzkumných institucí jsou výrazně konzervativnější. Obecně se předpokládá, že pokud vše půjde dobře, výrobu elektřiny poprvé vyzkouší generace zařízení, která by mohla začít pracovat někdy kolem poloviny 21. století. Například Velká Británie v současné době projektuje prototyp zařízení STEP, které by mělo být v provozu ve 40. letech 21. století. Řada států Evropské unie zase předběžně spolupracuje na přípravě projektu známého jako DEMO, který by podle dnešních plánů mohl začít fungovat někdy ve 40. letech 21. století.

Neznamená to, že by existovala nějaká velká rivalita. Radomír Pánek, ředitel pražského Ústavu fyziky plazmatu, mluví o firmě CFS jen v dobrém: „S řadou z nich se osobně znám z jejich působení v Plasma Science and Fusion Centre na univerzitě MIT v Bostonu. Spolupracujeme s nimi na některých vědeckých projektech a jsou to zajisté odborníci, kteří v oboru již něco dokázali,“ ale hned dodá: „Přesto se ale domnívám, že termíny, které prezentují, jsou příliš optimistické.“

Radomír Pánek je v současné době odpovědný za projekt stavby nového tokamaku v Česku. Ten bude mít díky možnosti pracovat s vysokým magnetickým polem unikátní parametry ve světovém měřítku a jeho cílem je řešit výzvy spojené s konstrukcí prototypu velkého fúzního reaktoru DEMO, který má Evropa začít budovat v druhé polovině 30. let.

Podle Pánka čeká tým CFS na cestě k fungujícímu tokamaku SPARC ještě velké množství překážek a technických i technologických výzev, jejichž řešení a překonání zabere nemalé množství času. „Další komplikací způsobenou současnou situací na globálním trhu budou i velmi dlouhé dodací doby speciálních materiálů potřebných pro konstrukci tokamaku (včetně výrazného nárůstu cen), jak víme bohužel i z vlastní zkušenosti. Tento problém zřejmě nepomine dříve než v roce 2023 a s velkou pravděpodobností také povede ke zpoždění řady projektů“.

V případě neotřelejších projektů, jako jsou reaktory Helion Energy či General Fusion, se přidává k řadě skeptických hlasů. Jejich cesta do praxe může být delší: „V případě tokamaků již poměrně rozumíme samotné fyzice plazmatu a prokázali jsme to na řadě experimentálních zařízení. Proto se v posledních dekádách zaměřujeme již především na řešení technologických otázek spojených s konstrukcí fúzního reaktoru. Na druhou stranu koncepty studované výše zmíněnými firmami vyžadují stále ještě významné úsilí v oblasti řešení základních fyzikálních otázek a principů.“ Jinak řečeno – tady zatím nejde o komercializaci, ale výzkum. (Jak to dopadá, když elektrárnu „staví fyzici“, si můžete připomenout na příběhu nešťastné československé elektrárny A-1.)

Jaké důsledky tedy bude mít nárůst soukromých investic do fúze, nevíme. Bude oboru svědčit konkurence nebo se jen tříští síly, které by se měly napřít jedním směrem, když tokamaky se zdají být tak blízko cíle? Hrozí, že neúspěch a marné sliby některých firem zvýší nedůvěru v obor jako takový? Nebo fúzní start-upy naopak zájem o fúzi zvýší, přilákají nové peníze a novou generaci studentů, které obor potřebuje snad ještě více než peníze miliardářů ze Silicon Valley?

Zatím se zdají být všechny možnosti otevřené.