Článek
V úvodní videoreportáži můžete vidět první design pro komerční fúzní jadernou elektrárnu na světě, jež má fungovat nepřetržitě a stabilně. Projekt takto popisují zástupci startupu Proxima Fusion, který jej představil v únoru v prestižním vědeckém magazínu Fusion Engineering and Design.
Informace a záběry si můžete poslechnout i prohlédnout v úvodní videoreportáži.
Německá firma vznikla v roce 2023 a založili ji inženýři z prestižního Institutu pro fyziku plazmatu (IPP) Maxe Plancka. „Do fúzního výzkumu je zapojeno 45 soukromých firem, což je obrovské číslo na to, že donedávna se prováděl výhradně za veřejné peníze. Teď se však postupně rozšiřuje i oblast, kterou platí soukromí investoři. Řada těch firem ale nepublikuje žádná data, výsledky experimentů a ty koncepty jsou nepochopitelné,“ vysvětluje Slavomír Entler, který se tímto oborem na Ústavu fyziky plazmatu AV ČR zabývá.
„Naopak je i řada firem, které se snaží veřejný výzkum inovovat, a Proxima Fusion mezi ně jednoznačně patří,“ potvrzuje český fyzik ve videoreportáži pro SZ Tech.
Miliardové projekty a úvod do jaderné energetiky
Na svůj cíl - fúzní reaktor Stellaris – už německý startup dostal 1,5 miliardy korun od EU, tamní vlády a také investorů. A staví na výsledcích, které má IPP z jiného experimentálního stroje, do něhož Brusel a Berlín už dříve investovaly 1,3 miliardy eur.
V obou případech jde o stejný typ zařízení - takzvaný stelarátor. Výkon každého bloku, které by v elektrárně byly tři, má být 1 GW, tedy jako u bloku Temelína v Česku, kde však probíhá jaderné štěpení.
„To štěpí těžké chemické prvky, zatímco fúze slučuje lehké chemické prvky. Je to dáno fyzikálními zákony, že jsou možné oba způsoby, ale každý je zcela odlišný. Jaderné štěpení lze velmi snadno vyvolat, a proto se velmi rychle aplikovalo do elektráren, zatímco fúze na Zemi nemůže probíhat sama od sebe, a proto je celkem obtížné jí dosáhnout,“ vysvětluje pro SZ Tech Entler z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.
Fúze ale oproti štěpení přináší důležité výhody. „Jednou z nich je absolutní bezpečnost. Není možná jaderná havárie a nebude produkovat jaderný odpad, takže v podstatě jde o takový upgrade jaderné energetiky k něčemu, co nás skutečně může energií živit příští miliardy let,“ dodává český fyzik.
Fúze také uvolňuje mnohem více energie než štěpení, což lze srovnat na tom, kolik paliva vyžadují. „Jaderná elektrárna Temelín za den spotřebuje přibližně 70 kilogramů uranu, zatímco fúzní elektrárna půl kilogramu vodíkových atomů,“ doplňuje Entler.
V čem je problém opravdu čisté energie z jádra
Problémem fúze ale je, že palivo musí mít přes 150 milionů stupňů Celsia, což je desetkrát více než v jádru Slunce. Takovou extrémní teplotu lze spoutat dvěma způsoby. Buď intenzivně stlačit laserovými paprsky, ale výrazně technologicky blíž je magnetické udržení paliva, které se opět dělí na dva směry - tokamaky a právě stelarátory.
Tokamaky používají vnější magnety a plazmatem protéká proud, což vytváří další magnetické pole, ale jsou proto nestabilní. Stelarátory využívají jen magnety, takže mohou teoreticky běžet nepřetržitě, ale jejich konstrukce má výrazně složitější tvar, do něhož se těžko ohýbají magnetické cívky. Na obou typech se pracuje od 50. let 20. století.
„Stelarátory tou dobou měly celou řadu nevýhod a tokamaky byly mnohem funkčnější a snáze postavitelné, a tak se fúzní výzkum v podstatě zaměřil pouze na tokamaky,“ vysvětluje Entler.
Jak si tokamaky a stelarátory vedou
Na stelarátorech se tak půlstoletí skoro nepracovalo, postavilo se jich 50 a jen desítka jich je dnes v provozu. Tokamaků oproti tomu vzniklo přes 200, provozuje se jich více než 50 - včetně dvou v Česku - a další nejméně desítka se jich staví nebo plánuje.
Zatím nejznámější a největší tokamak Jet v Anglii v roce 2023 uvolnil 69 MJ fúzní energie za pět sekund. Po celou dobu činnosti tak měl průměrný výkon 13 MW. Dostavili jej ale přitom už v roce 1983 a jeho objem je 840 metrů krychlových plazmatu.
Rekordním stelarátorem Wendelstein 7-X, na jehož výsledcích staví Proxima Fusion, v roce 2023 protekl 1,3 GJ, ale za 480 sekund, takže měl výkon 2,7 MW. Do provozu jej uvedli v roce 2015 a má 30 metrů krychlových.
Pro srovnání - každý ze čtyř reaktorů v Dukovanech má 510 MW.
Obě zařízení jsou ale stále experimentální. Provozuschopnou fúzní elektrárnu postaví až podle jejich výsledků. „Tokamaky mají jednu nevýhodu, i když tu dosud měly i stelarátory. Aby fungovala energeticky zisková fúzní reakce, musejí být velké. Už od roku 1985 se čeká na výstavbu reaktoru, který by tu hranici překonal. Jde o reaktor Iter v jižní Francii, který otestuje řízení plazmatu při výkonu 500 MW. A když to bude fungovat, bude možné okamžitě přistoupit k výstavbě fúzních elektráren,“ doplňuje.
Doženou stelarátory vývoj?
Mezinárodní fúzní reaktor Iter staví 38 zemí a vyjde na 22 miliard dolarů, z čehož skoro polovinu hradí EU. Oproti W7-X tak do něj investuje výrazně více. Jeho zprovoznění se však posouvá. Ještě loni platilo, že měl fungovat už letos. To se ale změnilo na rok 2034. Objevují se nové technické problémy, některé technologie je stále nutné ověřit, a tak se otevírá příležitost opět i pro stelarátory.
„Teoreticky by měly být stabilnější, protože v nich oproti tokamaku neteče elektrický proud, který je zdrojem celé řady problémů jako nestability. A neměly by trpět velmi významnými poruchami typu disrupce. Ale musí to nejdřív prověřit na malém stelarátoru jako W7-X, a pak na zařízení jako Iteru o větším výkonu,“ dodává český fyzik.
Proxima Fusion přitom chce postavit Stellaris do roku 2031. Věří si i kvůli tomu, že jeho nově publikovaný design chtěla mít hotový za dva roky, ale díky pokročilým výpočetním modelům jej stihl za jeden. „Každá soukromá firma bohužel musí něco slíbit. A slibovat brzké postavení fúzní elektrárny je trochu ošidné a je potřeba zdůraznit, že stelarátory dosud nedosáhly ani zlomku výsledků tokamaků,“ připomíná Entler, jenž se na výzkumu tokamaků v Česku také podílí.
„Nemám pochybnosti, že práce, kterou odvedou, bude velmi kvalitní a důležitá. Pracují na tom špičkoví světoví odborníci - doslova a do písmene. A pravděpodobně se do toho zapojí i širší řada odborníků z Evropy, takže po odborné stránce není pochyb, že ten projekt bude velmi zajímavý a smysluplný, ale ještě má před sebou velmi dlouhou cestu,“ potvrzuje fyzik z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.
Potřebné technologie ještě nejsou hotové
Proxima Fusion plánuje využít vysokoteplotní keramické supravodiče známé jako REBCO, které zvyšují magnetické pole, a dosahují tak vysokého fúzního výkonu za menších rozměrů zařízení. Malé reaktory by se tak dle startupu rychleji a levněji stavěly. Na REBCO proto spoléhá i řada jiných firem.
Problém je, že dosud není připravená technologie výroby jejich magnetických cívek - keramická sloučenina se obtížně ohýbá a spojuje tak, aby stále byla supravodivá.
„Pokud Stellaris dokáže aplikovat vysokoteplotní supravodiče, tak to bude obrovský pokrok nejen pro stelarátory, ale i tokamaky a další fúzní zařízení. Bude to skutečně extrémní posun vpřed a je výborné, pokud se do toho vývoje dávají další peníze - v tomhle případě ze soukromých zdrojů,“ říká Entler.
Na vysokoteplotních keramických supravodičích pracuje i americký startup Commonwealth Fusion Systems, který v roce 2018 vznikl na prestižním MIT a už od řady investorů (včetně Billa Gatese) vybral přes dvě miliardy dolarů. Vlastní tokamak, kde chce REBCO využít, plánuje spustit letos. Ještě ale nedosáhl výsledků, které by potřeboval. A Proxima Fusion chce mít tyto cívky v roce 2027.
„Pracují na tom týmy na celém světě, takže bych byl optimista. Ale bylo by fajn, kdyby podobný tým pracoval i v Evropě. Takže my osobně tady všichni držíme Proxima Fusion palce, aby to dokázala,“ dodává český fyzik.
„Celý záměr Stellaris je vynikající. Je to skutečně dobrá výzva pro vědce, technologii a energetiky. My víme, že ty plány jsou hodně optimistické, jelikož ty technologie se teprve musí vyvinout, vyzkoušet, předložit, prokázat a obhájit, ale jakmile se to podaří - i drobné pokroky v tom vývoji budou nesmírně cenné,“ uzavírá videoreportáž v úvodu článku.
