Článek
O energetické využití procesu, který se odehrává v nitru hvězd, se vědci a technici pokouší zhruba od konce 2. 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. Roste i ochota soukromých investorů vkládat do fúze vlastní peníze.
K cíli pořád ještě něco chybí. Podstatný krok správným směrem ale oznámili ve středu vědci z evropského konsorcia EUROfusion, kteří pracují na velké fúzním reaktoru JET ve Velké Británii. Jako první na světě uvedli do chodu v podstatě hodně zmenšený a zjednodušený experimentální prototyp možné fúzní elektrárny. Analogií bychom mohli říci, že zatím nemají auto, které by mohlo na silnici, ale už se jim podařilo nahodit jeho motor.
Veterán v novém
„Motor“ v tomto podobenství není rozhodně zbrusu nový. Jde o zařízení JET (Joint European Torus), které vzniklo jako evropský vědecký experiment a začalo fungovat v roce 1983. Ve své době šlo o zdaleka největší zařízení své třídy, tzv. tokamaků (o nich více v boxu dále).
Za dalších 20 let dosáhlo celé řady rekordů a zajímavých výsledků. Z hlediska nově oznámeného výsledku byla ovšem klíčová jeho dlouhá odstávka v roce 2011. Během ní byl JET modernizován tak, aby se ve své konstrukci více podobal reaktoru, do kterého obor vkládá největší naděje: obřímu tokamaku ITER, na jehož stavbu se „složilo“ několik desítek zemí světa, včetně České republiky.
Tento reaktor se staví v jižní Francii od roku 2007, fungovat by měl začít v roce 2025. ITER se postupně stal nejdražším vědeckým projektem v dosavadních dějinách lidstva s cenovkou někde přes 20 miliard eur (projektu ne zcela přátelsky nakloněná administrativa Donalda Trumpa v roce 2018 cenu dokonce odhadovala na 60 miliard eur, ale toto číslo je zřejmě velmi účelové).
Splní ovšem drahý projekt proklamované cíle? Vznikne v něm skutečně „umělé Slunce“, ve kterém bude poprvé v historii vznikat více energie, než je zapotřebí k jeho ohřívání? Bude možné začít stavět prototypové fúzní elektrárny? Upravený a modernizovaný JET měl pomoci dostat se co nejblíže k odpovědím na tyto otázky. Byl změněn tak, aby se co nejvíce podobal budoucímu ITERu.
Komora, v níž magnetické pole drží plazma s teplotou až 150 milionů stupňů, dostala nové stěny z materiálu, který má použít ITER. Konkrétně jde o beryllium, což je vzácný a lehký stříbřitý kov, jenž se používá jen v některých specifických oblastech, třeba v jaderném průmyslu.
JET také jako jediný tokamak současnosti prošel schvalovacím procesem na využití radioaktivní formy (izotopu) vodíku, tedy tritia. To je sice neprakticky vzácné a „obtížné“ z hlediska manipulace a zacházení, ale pro jadernou fúzi je velmi vhodné. Lze ho jednoduše řečeno „zapálit“ snáze než cokoliv jiného. Tritium by tedy (spolu s jinou „formou“ vodíku, deuteriem) mělo představovat palivo minimálně pro I. generaci fúzních elektráren.
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.
Zapálit a udržet
Pokus o co nejvěrnější „simulaci“ ITERu se na tokamaku JET připravoval několik let. Nakonec skutečně proběhl v druhé polovině roku 2021 – a podíleli se na něm i vědci z Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR. A výsledky oznámené 9. února (z pohledu vědců naštěstí) nepřinášejí žádné velké překvapení: „Povedlo se podle plánu,“ říká Radomír Pánek, ředitel českého ústavu.
V komoře tokamaku JET se podařilo „zapálit“ plazma, tedy dosáhnout stavu, kdy se v něm intenzivně slučovala jádra vodíku a uvolňovalo se značné množství energie. Plazma mělo průměrný výkon zhruba 11 MW.
Jak jsme naznačili analogií s motorem, v chodu se jej nepodařilo udržet nijak dlouho: jen pět sekund. Ovšem to je z hlediska fúzní fyziky velmi dlouhá doba, vysvětluje Radomír Pánek: „Když se podařilo plazma v komoře udržet pět sekund, tak by se ho stejně tak podařilo udržet třeba pět hodin. To již není takový rozdíl, protože plazma bylo stabilní, takzvaně ve stacionárním stavu.“
Doba, za kterou plazma dosáhne tohoto stavu, se liší podle velikosti zařízení, síly jeho magnetů atd. V případě JET je v řádu stovek milisekund. Pětisekundové udržení plazmatu je bezpečně nad touto hranicí.
Experiment musel být ukončen jen proto, že JET má měděné magnety. Nejsou supravodivé, takže v nich za běhu vzniká poměrně velké množství tepla. Tolik tepla, že si s ním chladicí systémy nedokázaly při daném výkonu poradit déle než právě pět sekund. ITER tento problém mít nebude, protože jeho magnety budou supravodivé. Takové, jaké dnes v experimentech není problém uchladit a udržet v chodu hodiny či dny.
Poslední díl vakuové nádoby reaktoru ITER, který dorazil na místo stavby v roce 2021. Díly vznikají v komplikované mezinárodní spolupráci, jež rozhodně nepřeje rychlosti a ani ceně. Cílem projektu je ale poskytnout všem know-how nutné ke stavbě podobných zařízení, a tak se například části stejných systémů vyrábějí na několika místech světa. Efektivita tím ovšem trpí.
Jako podle učebnice
Že se výsledek neodchýlil od očekávání, vědci kvitují jednoznačně s povděkem. Existovaly například jisté obavy, zda po zapálení paliva nezačnou v plazmatu vznikat nějaké „nestability“ (anomálie), díky kterým by v důsledku nebylo možné dosáhnout plánovaného výkonu. Ale naštěstí se nic takového neukázalo.
„Potvrdila se přesnost našich modelů, ukázalo se, že víme, co můžeme čekat,“ shrnuje Radomír Pánek. Jinak řečeno, když JET fungoval s tímto typem komory a s tímto palivem tak dobře, měl by tak fungovat i ITER.
Mezi oběma reaktory jsou samozřejmě i odlišnosti, ale ta hlavní by měla výzkumu hrát do karet. Je to velikost. V případě tokamaků totiž na velikosti velmi záleží. Ve větší komoře se částice paliva, tedy vodíku, mohou déle „zdržet“, a mají tedy více času najít si partnera a změnit se na helium. V menším zařízení příliš mnoho atomů paliva uteče z plazmatu ven. Doplňovaný vodík se pak musí ohřívat. To stojí spoustu energie, a tak v důsledku je spotřeba zařízení vyšší, než kolik se uvolní z fúze.
Právě proto je ITER největší fúzní reaktor, jaký byl kdy postaven. Jeho vakuová komora bude mít 10krát větší objem, než má JET. Původní plány byly dokonce takové, že objem bude dvacetinásobný, ovšem to bylo nakonec na účastnické země příliš drahé. I tak by mělo v plazmatu ITERu vznikat až desetkrát více energie, než bude zapotřebí na jeho ohřátí. V experimentech na JET je poměr úplně jiný: do plazmatu se musel dodávat dvojnásobek energie, než kolik vyrábělo. Pro zasvěcené a ty, kdo rádi googlují a dozvědí se něco nového: Tzv. Q plazmatu bylo cca 0,33.
Po oznámení nových výsledků z JET se nyní zdá téměř jisté, že zmenšení ITERu kvůli rozpočtu se nevymstí. Vše nasvědčuje tomu, že velký mezinárodní reaktor by měl fungovat tak, jak vědci předpokládají. A energie hvězd se zdá být o něco málo blíž.
Jak na fúzi
Princip slučování jader, tedy jaderné fúze, není složitý: V reaktoru dochází ke sloučení dvou jader atomů do jednoho jádra těžšího atomu. V praxi jde však o velmi složitý problém, protože slučování jader lze částečně přirovnat ke snaze přiblížit dva magnety stejnými póly k sobě.
Schéma jaderné fúze.
Dvě jádra s kladným nábojem se odpuzují a až po překonání odpudivé síly a vzájemném přiblížení jader na velmi malou vzdálenost převládne přitažlivá síla a jádra se mohou sloučit na jádro těžší (např. jádro helia) za produkce velkého množství energie.
Aby bylo možné této reakce dosáhnout, je nutné hmotu zahřát na extrémní teploty, kde se přemění na tzv. plazma. Na Slunci pomáhá horké plazma držet gravitační síla, která zajišťuje vhodnou kombinaci extrémní hustoty (fúze probíhá v jeho středu, ne u povrchu) a vysokých teplot, tj. rychlosti samotných jader.
Na Zemi nelze využít k tomuto účelu gravitační sílu, a tak se využívá pro udržení a izolaci plazmatu silné magnetické pole, které však nedokáže zajistit tak vysoké hustoty jako v centru Slunce. Proto je plánem dosáhnout výrazně vyšších teplot. Ve stavěném tokamaku ITER má teplota plazmatu dosahovat až 150 milionů stupňů, což je desetinásobek hodnoty ve středu Slunce.
