Nekonečný zdroj elektřiny pořád nikde. Jak daleko jsme od fúzních elektráren?

Před 70 lety, 24. března 1951, předstoupil před novináře argentinský vůdce Juan Perón s tvrzením, se kterým si přítomný tisk údajně příliš nevěděl rady. Podle jeho slova Argentina zvládla za „kontrolovaných podmínek“ provést jadernou fúzní reakci.

Zpráva se rychle dostala do celého světa, kde vzbudila zájem, nadšení, rozpaky i pochybnosti. Správná reakce byla ta poslední. Český rodák Ronald Richter, který od Peróna dostal prakticky zcela volnou ruku, velmi zjednodušeně řečeno objevil jen jednu z mnoha slepých uliček, jak přenést zdroj energie hvězd na Zemi.

Richter podle odhadů utratil v dnešních cenách zhruba čtvrt miliardy eur, ale slučování jader – tedy fúze spojené s uvolněním energie – v žádném větším měřítku nedosáhl. Zůstalo po něm vybavení, které si po nevyhnutelném konci projektu brzy po osudné tiskové konferenci rozebrala jiná argentinská vědecká pracoviště, a na ostrově Huemul dodnes stojící betonová budova reaktoru. Údajně bez větší úhony přečkala i to, když se na krátkou dobu stala cvičným cílem pro argentinské dělostřelectvo, uvádí fyzik a publicista Milan Řípa ve své nedávné brožuře o Richterovi a jeho práci.

Zpráva vzbudila pozornost a podnítila vlnu zájmu o výzkum fúze jak v USA, tak v Británii (tehdy větší vědecké mocnosti než dnes) a v tehdejším SSSR. Tam údajně vtrhl ministr průmyslu do kanceláře Igora Kurčatova, hlavního sovětského odborníka na jadernou problematiku, s výtiskem Pravdy v ruce a voláním, že „termojaderná syntéza“ funguje. Což samozřejmě vedlo k náhlému navýšení investic na její výzkum – a něco takového jde vědcům samozřejmě těžko odmítnout).

Chebský rodák Richter zřejmě nebyl podvodníkem, i když to nemůžeme samozřejmě vědět jistě. Milan Řípa cituje vyjádření jednoho jeho učitele z pražské Přírodovědecké fakulty Německé univerzity v Praze, podle kterého byl Richter spíše mírně nadaný vědec s „květnatou představivostí a neschopný jakékoliv sebekritiky“. I proto se zdá dosti pravděpodobné, že jeho omyl byl spíše důsledkem chyb při řešení problému, jehož obtížnost nejen Richter nedokázal plně ocenit.

Na obranu rodáka ze Sudet je také nutné připomenout, že v tom rozhodně nebyl sám. „Fake news“, podle kterých je energie hvězd blízko, bylo v minulosti už dost a dost.

Jen o sedm let po Richterovi, v roce 1958, se v podobné šlamastyce ocitly podstatně větší vědecké kapacity než dnes de facto zapomenutý rodák z českých zemí. V lednu toho roku britské noviny psaly, že „Británie se včera večer stala oficiálně první zemí, která dokázala, že zkrocená vodíková bomba může nakrmit národy toužící po energii. Výzkumné středisko v Harwellu přinutilo umělé slunce ZETA, aby ukázalo, že jsme první na světě v projektu získání neomezené jaderné energie.“

Novináři si jako v řadě jiných případů notně zapřeháněli, ale v základu jejich zprávy byl vědecký omyl, za který média nemohla. Fyzici pracující na termojaderném zařízení ZETA, z dnešního pohledu opravdu slabém a jednoduchém, dospěli k závěru, že s velkou pravděpodobností skutečně dosáhli fúzní reakce.

Ředitel laboratoře a „nobelista“ John Cockcroft tehdy řekl, že laboratoř objevila, jak se z experimentu uvolňuje nečekané množství energie v podobě neutronů. „Neutrony jsou na 90 procent termojaderného původu,“ řekl tehdy novinářům, kteří zprávu sice notně vyšperkovali, jak jsme viděli, ale v základu se drželi toho, co jim vědci řekli.

Jak se brzy ukázalo, Cockcroft a ostatní se stoprocentně pletli. ZETA a ostatně ani žádné další fúzní zařízení té doby se cíli nepřiblížily a ani nemohly. Nebylo to proto, že by vědci lhali nebo uváděli veřejnost v omyl. Jen prostě nevěděli dost.

Obor byl v té době velmi nový. Teoreticky byla jaderná fúze předpovězena ve 20. letech 20. století. Jeden z nejvýznamnějších fyziků 20. století Arthur Eddington spojil dva poznatky v něco, co se v té době mohlo snadno jevit jako velmi divoká domněnka. Slavný fyzik si všiml, že:

a) Slunce je tvořeno převážně vodíkem a trochou helia,

b) E=mc2.

Helium má v jádře čtyři těžké částice (dva protony, dva neutrony), nejběžnější „forma“ vodíku má v jádru jednu (jeden proton). Přitom ovšem čtyři atomy vodíku váží jen o málo více než jeden atom helia. Pokud se čtyři jádra vodíku postupně spojí a vytvoří helium, musí se část jejich hmotnosti někde ztratit.

Nejznámější rovnice světa pak říká, že tento nepatrný kousek hmoty představuje doslova fantastické množství energie. Dokonalá přeměna jednoho kilogramu hmoty v energii by pokryla asi třetinu české spotřeby elektřiny.

Eddington ve svém článku (PDF dostupné odsud) přiznává, že jde o velmi smělou myšlenku. V závěru, který by dnes do žádného odborného článku neprošel, se v podstatě přirovnává k Ikarovi. Souhlasí s ním v tom, že ve vědě je zapotřebí jít s odvahou do extrému a stávající teorie „šponovat“, jak je to jen možné.

V případě fúze měl zcela evidentně pravdu. Ve 30. letech laboratorní experimenty jeho domněnku potvrdily. Sloučit několik jader v laboratoři není nic až tak obtížného, dokonce by se dalo říct, že to je velmi jednoduché.

Dobrým příkladem může být tzv. fúzor, což je tak jednoduché zařízení, jehož základem jsou dvě elektrody ve vakuové komoře (podrobnější popis např. v tomto PDF). Postavit si ho zvládne doslova i (velmi schopný) středoškolský student, jak zhruba před 10 lety demonstrovali například dva mladíci ze slovenského Martina.

Problém je udělat to tak, aby se vám na „ohřev“ vložená energie vůbec vrátila. Například fúzory ze svého principu nikdy nemohou vyrobit více energie, než se do nich vkládá. Jsou to jen ztrátové „hračičky“, ve kterých se energie ztrácí za vzniku hezkých vizuálních efektů.

Ve skutečnosti je ale – alespoň do jisté míry – skutečně možné snést Slunce na Zemi. Přesvědčit atomy, aby se k sobě přiblížily tak, aby se mohly spojit, je však velmi obtížný úkol. Je to podobné jako přiblížit dva magnety stejnými póly k sobě.

Všechna atomová jádra totiž mají kladný elektrický náboj. Záporný náboj atomů nesou elektrony, které jsou ve „slupce“ kolem jádra, ale na ty v tomto případě můžeme klidně zapomenout, nejsou důležité. Aby jádra svůj odpor překonala, chce to velkou energii. V podstatě se musí srazit s takovou energií, aby magnetický odpor prostě nestačil „nehodě“ zabránit.

V podstatě jedinou možností je dosáhnout podobně extrémních hodnot jako v nitru hvězd, což je jediné místo, kde fúze ve větším měřítku probíhá. Ve hvězdách ovšem do procesu vstupuje extrémní gravitace, která pomáhá vytvářet vhodné podmínky (kombinaci extrémní hustoty a vysokých teplot).

Na Zemi takovou gravitaci nenapodobíme. Pozemské reaktory tedy nemohou mít plazma tak husté jako na Slunci. Ovšem můžeme dosáhnout vyšších teplot než ve Slunci. Díky tomu pak mají částice více energie a jejich srážky mohou častěji skončit překonáním odporu jejich „magnetických štítů“. V největším fúzním projektu současnosti, tokamaku ITER, má teplota plazmatu dosahovat až 150 milionů stupňů, což je desetinásobek hodnoty ve středu Slunce.

Ani to samo o sobě nestačí. Vhodných srážek by bylo málo, kdyby neexistoval ještě podivný jev známý jako „kvantové tunelování“. Nebudeme zabíhat do podrobností, ale tunelování v podstatě znamená, že atomová jádra se čas od času mohou nepatrně „teleportovat“ skrze jinak neprostupné bariéry. Čas od času se tedy stane, že dojde i ke spojení jader, která by se vlastně k sobě neměla dostat dost blízko.

Tento jev je dostatečně běžný, abychom mohli uvažovat o tom, že slučování jader za vysokých teplot – termonukleární fúze – by nám alespoň v principu mohlo posloužit jako bohatý zdroj energie.

Když se dvě atomová jádra dostanou tímto způsobem extrémně blízko k sobě, ukáže se, že nejsou jenom magnety. Převládne mezi nimi přitažlivá tzv. silná interakce, což je základní fyzikální síla, se kterou nikdo z nás nemá osobní zkušenost. Působí jen na extrémně krátké vzdálenosti, řádově zhruba v rámci samotných atomových jader (ani ne celých atomů, skutečně jen jejich jader, která, co se rozměru týče, tvoří jen zlomek celého „objemu“ atomu, velmi zjednodušeně řečeno).

Když v 50. letech britští vědci (a nebyli úplně sami) veřejnosti tvrdili, že využití fúze k výrobě energie by nemuselo být příliš vzdálené, byli jednoduše příliš „naivní“. Fyziku plazmatu – protože fúze probíhá za tak extrémních podmínek, že hmota v jiném skupenství být nemůže – považovali za jednodušší, než ve skutečnosti je. Všem, kdo odešli za školy již dávno, připomínáme, že plazma je skupenství, ve kterém se elektrony kvůli vysoké energii neudrží kolem atomových jader, a výsledkem je tedy směs záporných a kladných částic.

Realita všechny zúčastněné poměrně rychle vyvedla z omylu. Když se v 60. a 70. letech postavila větší fúzní zařízení (tehdy už téměř výlučně tzv. tokamaky), ukázalo se, že plazma se jen tak nedá zkrotit. Předpokládalo se, že pokud postavíte magnetickou „past“ na plazma, tak se v ní bude spořádaně držet. A pak šlo jen o to postupně plazma ohřívat na teploty, za kterých začne docházet k fúzi ve velkém měřítku, a tedy k uvolňování velkého množství energie.

Plazma mělo ztrácet energii pouze díky srážkám jednotlivých částic a jejich postupné difuzi (posunem) napříč magnetickým polem směrem k okraji plazmatu. Skutečnost byla podstatně nepříznivější: čím více se plazma zahřívalo, tím rychleji z něj energie unikala. Objevila se tzv. „anomální difuze“, se kterou si fyzika nevěděla rady. Odborná komunita tehdy údajně z velké části ztratila naději, že se podaří někdy zvládnutí fúze pro výrobu energie využít.

Překážku se u velké části podařilo odstranit na začátku 80. let. Německému fyzikovi Fritzi Wagnerovi a jeho kolegům se totiž plazma v tokamaku ASDEX nečekaně změnilo do stavu, kdy došlo náhle k výraznému zvýšení jeho teploty a hustoty v centru.

Autoři objevu byli údajně doslova zaskočení a nevěděli, jestli se jedná o nějakou výjimečnou událost, nebo zvládnou stav ještě někdy napodobit (a samozřejmě ani jak). Na první konferenci, kde výsledek představili, kolegové dávali najevo značnou dávku skepticismu. Ale nedůvěru brzy vystřídalo nadšení.

Objev obor probral z mrtvých. H-mód (High confinement mode čili „mód s vysokým udržením“) umožnil výrazně zvýšit výkony stávajících zařízení. Postupně se podařilo zjistit, jak se plazma do tohoto stavu dostane a jak ho dosáhnout. (Pro zvědavé: příčinou vzniku bylo samovolné roztočení plazmatu poblíž okrajů, které potlačilo okrajové turbulence, jimiž uniká velké množství energie z plazmatu.) Když ho vědci zahrnuli do svých výpočtu a projekcí, zdálo se náhle alespoň na papíře možné postavit zařízení, které by opravdu mohlo vyrábět více energie, než spotřebuje.

V té době se zrodila myšlenka na stavbu velkého mezinárodního reaktoru ITER, na jehož stavbě se pracuje už od roku 2007. Z toho se postupně stal nejdražší vědecký projekt v dosavadních dějinách lidstva s cenovkou někde přes 20 miliard eur. Administrativa Donalda Trumpa v roce 2018 cenu dokonce odhadovala zhruba na 60 miliard eur. Organizace, která má stavbu ITER na starosti, rozhodně nesouhlasí.

Neznamená to, že by rázem bylo vše vyřešeno. Udržet plazma bylo stále problematické. Každý krok vpřed přinesl nové problémy. Mezi odborníky se trochu cynicky říkalo, že řada odborných příspěvků na konferencích a v časopisech se dala shrnout slovy: „Vyřešili jsme tento dlouholetý problém s udržením plazmatu, bohužel jsme ale objevili čtyři nové.“

Například v tak velmi vítaném H-módu se objevil veliký problém v podobě jakýchsi „výšlehů“ plazmatů přímo skrze magnetické pole až ke stěně reaktoru, tzv. ELMy. U malého zařízení je to jen malá nepříjemnost, ale kdyby mělo být plazma opravdu plné energie, řekněme v elektrárně, bylo by jen otázkou času, než ELMy zařízení poničí. Jinak řečeno, praktické použitelné zařízení se nedá postavit, dokud se jen nepodaří zvládnout.

Po letech se to snad zvládnout podařilo. V některých zařízeních, třeba německém ASDEX, byly vyzkoušeny speciální magnety, které umožňují měnit „tvar“ magnetického pole. Další možností je využít silnější magnety, než se na tokamacích běžně dodnes používaly. Tento slibný přístup bude zkoumat i v Česku v současné době budovaný reaktor COMPASS Upgrade.

Ten by měl ověřovat, do jaké míry mohou extrémně silné magnety plazma ukáznit. Zhruba 300tunový reaktor by měl být schopen pracovat s magnetickým polem více než pět tesla, tedy silnějším, než má jakýkoliv dnešní tokamak. 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. Napájení reaktoru zajistí několik rázových generátorů, které po dobu několika sekund budou dodávat výkon až 250 MW.

Pražský reaktor i přes své zajímavé parametry ovšem není hlavním nadějí na „ovládnutí energie hvězd“ v příštích desetiletích. Tím je námi již zmíněné zařízení ITER, které by mělo začít fungovat v roce 2025. (Samotný reaktor se staví od roku 2020, ale přípravy celého areálu probíhaly od roku 2013 a samotná příprava projektu běží od již zmíněných 80. let.)

České zařízení se tomu mezinárodnímu ovšem hodně schválně v mnohém podobá. Má totiž sloužit jako experimentální zařízení pro některé postupy zvažované pro ITER a další reaktory, které přijdou po něm a které mají snad už konečně být předstupněm prakticky použitelné fúzní elektrárny.

Proto vás nejspíše také nepřekvapí, že obě zařízení jsou založena na stejném principu. V obou případech jde o tzv. tokamaky. Tento název pro jednu třídu fúzních reaktorů pochází z ruské zkratky („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).

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.

Což se na účinnosti zařízení samozřejmě projeví. A to i přesto, že množství ohřívané hmoty je naprosto minimální. I v budoucích větších reaktorech by měly být v jednu chvíli obvykle dohromady řádově gramy paliva. V dnešních tokamacích to mohou být jen desetiny gramu.

V případě tokamaků ovšem velmi záleží na velikosti. Důvod je prostý: 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 (jako třeba tokamak COMPASS právě v Ústavu fyziky plazmatu) příliš mnoho atomů paliva (vodíku) uteče ven. A i když je možné je udržovat, musí se nově doplňovaný vodík ohřívat na nutné extrémně vysoké teploty. To stojí spoustu energie, a tak v důsledku je spotřeba zařízení vyšší, než kolik se uvolní z fúze.

ITER je proto největší fúzní reaktor, jaký byl kdy postaven. Jeho vakuová komora bude mít 10krát větší objem, než má dnešní největší evropský tokamak JET ve Velké Británii. Původní plány byly dokonce takové, že objem bude 20krát větší než u britského tokamaku. Ovšem to bylo nakonec na účastnické země příliš drahé.

Odborníci předpokládají, že i tak to bude stačit na to, aby ITER jako první fúzní reaktor na světě dokázal být ziskový. Ne ekonomicky, žádné peníze přímo nevydělá, alespoň však do jisté míry energeticky. Fúze v jeho středu by měla do okolí vyzařovat více energie, než kolik je zapotřebí na její udržení. Na každou jednotku energie, která se použije na ohřátí plazmatu, by se mělo uvolnit 10 jednotek energie ze spojování jader v zařízení.

Desetinásobný energetický zisk by byl ohromný úspěch pro fúzní výzkum. Zatím se nikdy nepodařilo dosáhnout ani „rovnosti“. Zatím nikdy tedy v žádném fúzním zařízení nevznikalo více energie, než kolik do něj provozovatelé dodávali. Nejvyšší hodnoty se pohybovaly kolem 0,7 – tedy na ohřev plazmatu bylo zapotřebí cca o necelou třetinu více energie, než kolik v něm probíhající fúze vytvářela.

Ale ani energetický zisk 10 : 1 k praktickému využití fúze stačit nebude. Jak jste si možná všimli, my jsme mluvili o energie dodávané přímo do plazmatu. Šlo vysloveně jen o energii nutnou k ohřevu vodíkového paliva (často pomocí zařízení, které v podstatě není nic jiného než obří mikrovlnná trouba). Ale tokamaky jako ITER spotřebovávají spoustu energie i na jiné věci.

Zaprvé, ohřev sám není úplně účinný, také při něm dochází ke ztrátám. A to poměrně velkým: proměna elektřiny na mikrovlnné záření není rozhodně 100procentně účinný proces, spíše zhruba tak 50procentně. Jen část – a to spíše menší část – mikrovln opravdu zahřeje plazma. Zbytek se někde rozptýlí v zařízení bez užitku, zahřeje stěny atp. Kromě toho je zapotřebí energie na produkci polí, která mají plazma udržet, na chlazení magnetů, provoz řídicích systémů a tak dále.

Ztráty se rychle nasčítají. Vezměme příklad ITERu. Z fúzní reakce v jeho komoře se má uvolňovat maximálně 500 megawattů (MW) tepla. Do plazmatu se má tedy dodávat cca 50 MW výkonu. Ale celkový odběr celého areálu, tedy nejen samotného reaktoru, může dosáhnout maximálně až 620 MW, uvádí stránky ITERu. Na samotný reaktor by mělo připadnout přes 400 MW.

Naše porovnání je ještě přehnaně příznivé, protože ITER žádnou elektřinu vyrábět nebude. Oněch 500 MW je teplo (přesněji řečeno tepelné neutrony), které z reaktoru uvolňuje. Teplo ovšem není totéž, co elektřina, na tu se musí ještě proměnit. To s sebou nese další ztráty – a zase ne zanedbatelné. Na elektřinu se může přeměnit v reálu zhruba polovina takto vzniklé energie a ještě spíše o nějakých těch pár procent méně.

Vědci dnes doufají, že díky pokrokům posledních let bude nakonec plazma ITERu produkovat více než 10násobně vložené energie. Pokud to však nebude opravdu výrazně více, z praktického pohledu bude mít ITER i k energetické ziskovosti stále dosti daleko. Použitelná fúzní elektrárna musí mít ještě lepší výkony než mamutí projekt pomalu rostoucí ve francouzském Cadarache.

Plán je zatím takový, že až se ITER osvědčí, začne se stavět skutečný prototyp fúzní elektrárny. U něj by se na rozdíl od experimentálního ITERu už mělo například více uvažovat o tom, jak spotřebu zařízení snížit a jeho provoz zefektivnit. O tomto hypotetickém zařízení se také hovoří celá desetiletí a téměř určitě se bude jmenovat DEMO – či alespoň některý se tak bude jmenovat. V tomto případě se spíše předpokládá, že nebude vznikat v tak široké mezinárodní spolupráci a jednotlivé státy (či například EU) si budou chtít technologii vyvíjet samy.

Ať už první DEMO bude stát v Evropě, USA, Číně, či někde jinde a měl by skutečně být posledním předstupněm před komerční fúzní elektrárnou, měl by mít ještě výrazně lepší výkony než ITER. Energetický „zisk“ v plazmatu by se měl pohybovat co nejvýše nad hodnotou 1 : 20, která se zhruba považuje za spodní hranici pro praktické využití fúze v energetice. Demonstrátor by také měl být levnější a měl by poprvé předvést, jak z fúzního tepla vyrábět elektřinu.

Kdy by to mohlo být? Zkuste rámcově počítat s námi. ITER by měl začít pracovat v roce 2025. Maximálního výkonu by měl dosáhnout v roce 2035. Podle evropského plánu by stavba projektu DEMO mohla začít kolem roku 2040. Začátek provozu kolem roku 2050 se jeví jako poměrně optimistický, ale reálný odhad. Možná vyjde na stoleté výročí argentinského průlomu, který se nekonal.