Vědci chtějí ochočit umělou hvězdu. Sevřou ji magnety nebo rozsvítí laserem

Nedávný úspěch amerických vědců na laserovém zařízení National Ignition Facility (NIF) vyvolal velkou vlnu zájmu o jadernou fúzi a fúzní technologie. Experiment v NIF prokázal, že je možné z řízené fúzní reakce získat více energie, než kolik jí bylo dopraveno do paliva.

Jde o přelomový výsledek, který nás přivádí o krok blíže k realizaci nového zdroje energie, přestože je technologie NIF zcela odlišná od té, která se vyvíjí pro fúzní elektrárny. Co znamená dosažený úspěch? A jaký je vztah mezi lasery z NIF a tokamaky?

Jaderná fúze je nízkoemisní a nízkouhlíkový energetický zdroj, který jako jediný známý energetický zdroj umožní vyrábět elektrickou energii v průmyslových objemech se stabilním výkonem bez dopadu na životní prostředí.

Zásoby fúzního paliva na Zemi jsou globálně dostupné a prakticky nevyčerpatelné. Díky vysoké energetické vydatnosti fúzní elektrárna o elektrickém výkonu dvou gigawattů podobná Jaderné elektrárně Temelín spotřebuje méně než dva kilogramy paliva za den provozu.

Ve vesmíru tvoří fúzní palivo převážnou část viditelné hmoty, takže jde o zdroj energie vhodný i pro mezihvězdné lety. Odpadem fúzní reakce je ceněný inertní plyn helium, který bude využit přímo v elektrárně, a případně vodík využitelný v průmyslu. Při provozu elektrárny bude vznikat konstrukční odpad, jehož množství bude záviset na vyspělosti fúzních technologií. Použitím odolných pokročilých materiálů bude možné množství odpadu snižovat a odpad recyklovat.

Fúzní elektrárny budou plně bezpečné bez rizika nekontrolované fúzní reakce, která není ve fúzních reaktorech možná. Pro spuštění fúzní reakce je nezbytné dodat palivu vysoké množství energie z externích systémů a jakákoliv závažnější porucha reaktoru povede k tomu, že palivo tuto energii ztratí. Tím dojde k okamžitému zastavení reakce. Kromě toho bude v reaktorech velmi malé množství paliva, vždy jen několik gramů, a kdykoliv bude možné zastavit jeho doplňování.

Ve srovnání se všemi známými průmyslovými zdroji energie včetně obnovitelných zdrojů bude vliv výroby elektřiny ve fúzních elektrárnách na životní prostředí nejmenší. Výroba čisté elektrické energie bez dopadů na životní prostředí nezávislá na počasí a geografické poloze, neomezené a dostupné zásoby paliva, vnitřní bezpečnost reaktorů a recyklace výrobního odpadu jsou silnou motivací k náročnému výzkumu a vývoji.

Jaderná fúze nemůže v pozemských podmínkách samovolně probíhat a vytvoření vhodných podmínek je obtížné. Tato skutečnost na jedné straně garantuje bezpečnost fúzních elektráren, na druhé straně však významně komplikuje vývoj fúzních reaktorů.

V počátcích fúzního výzkumu převládaly optimistické představy o rychlosti ovládnutí jaderné fúze. Přitom však nebylo úplně jasné, jaké parametry musí palivo mít, aby se při fúzní reakci vytvořil energetický zisk. Tyto parametry poprvé popsal britský inženýr John David Lawson, který v roce 1955 odvodil rovnici dnes označovanou jako Lawsonovo kritérium inženýrského vyrovnání. Toto kritérium je nezbytné splnit, aby fúzní elektrárna vyráběla užitečnou elektřinu.

Lawsonovo kritérium porovnává výkonové toky ve fúzní elektrárně a stanoví potřebnou hodnotu součinu hustoty paliva n o teplotě T a doby udržení energie τE, po kterou si palivo dokáže udržet tuto hustotu a teplotu. Kritérium má tvar jednoduché rovnice:

n . τE ≥ f(T)

V průběhu fúzního výzkumu se ukázalo, že je výhodné dočasně se nevázat na celou elektrárnu a aplikovat kritérium jen na palivo. Proto byly zformulovány další dvě kriteriální rovnice. V současnosti Lawsonovo kritérium zahrnuje tři rovnice – rovnici vědeckého vyrovnání (scientific breakeven nebo krátce jen breakeven), rovnici zapálení (ignition) a původní rovnici inženýrského vyrovnání (engineering breakeven).

Nejznámějším Lawsonovým kritériem je vědecké vyrovnání, tzv. „breakeven“, které nastává, když se uvolněný fúzní výkon vyrovná externímu výkonu dopravenému do paliva z vnějšku. Jinak řečeno, zesílení Q, které je definováno jako poměr těchto dvou výkonů, se v takovém případně rovná 1. Pokud je Q>1, tak se při fúzi uvolní větší výkon, než který se do něj dopraví.

K dosažení alespoň Q=1 se přiblížil evropský tokamak Joint European Torus (JET), který v roce 1997 dosáhl zesílení 0,62 a v roce 2021 zesílení 0,36. Lasery amerického zařízení NIF dosáhly v roce 2021 zesílení 0,7 a posledním úspěchem bylo dosažení zesílení 1,5 v roce 2022. Tím se NIF stal prvním zařízením na světě, které splnilo Lawsonovo kritérium vědeckého vyrovnání. Tokamak ITER budovaný ve Francii by měl v budoucnu dosáhnout zesílení 10, a kritérium tak také splnit.

Kritérium vědeckého vyrovnání je díky jednoduché formulaci dobře srozumitelné, avšak z hlediska energetického využití jaderné fúze nemá moc velký význam a je pouze orientační. Skutečnou výkonovou bilanci fúzního paliva vyjadřuje kritérium zapálení. Při publikaci úspěchu v NIF bylo překročení vědeckého vyrovnání v některých prohlášeních interpretováno jako zapálení fúzní reakce. Šlo ale pouze o zjednodušení s cílem názorně popsat provedený experiment a k dosažení kritéria zapálení nedošlo.

Kritérium zapálení porovnává uvolněný fúzní výkon absorbovaný v palivu s energetickými ztrátami paliva. Pokud je kritérium zapálení splněno, pak fúzní reakce probíhá samostatně a nevyžaduje žádný externí výkon. Stav zapálení se ale v různých typech fúzních zařízení projevuje odlišně.

V tokamacích ve stavu zapálení již není potřeba ohřívat palivo, protože se ohřívá samo fúzní energií. Jde o setrvalý a vysoce efektivní stav, kdy tokamaky vyžadují jen nízký příkon, například pro generování elektrického proudu v plazmatu. Ve stavu zapálení bude účinnost tokamakových fúzních elektráren srovnatelná s jadernými elektrárnami, protože po dosažení provozních parametrů nebude nutný energeticky náročný ohřev paliva.

V laserových systémech zapálení označuje stav, kdy se jaderná fúze začne samostatně šířit palivem. Lasery nemusí vytvořit požadované podmínky v celém objemu paliva, ale postačí pouze v jednom bodu, tzv. hotspotu, odkud se jaderná fúze po zapálení rozšíří do celého objemu paliva. To snižuje nároky na lasery, a proto se hledají co nejefektivnější metody vytvoření tohoto hotspotu. Zapálení bude ovšem nutné opakovat při každém výstřelu laserů.

Pro provoz fúzních elektráren je nejdůležitější kritérium inženýrského vyrovnání. Inženýrské vyrovnání je dosaženo, pokud hrubý elektrický výkon elektrárny pokryje vlastní spotřebu elektrárny. Tento v energetice samozřejmý požadavek vystupuje u fúzních elektráren jako důležité kritérium, protože je jejich energetická bilance výrazně ovlivněna vysokou spotřebou fúzních technologií a recirkulací vysokého elektrického výkonu.

Fúzní elektrárna s tokamakem bude muset nejprve zajistit například napájení magnetického systému a systému ohřevu paliva, laserová elektrárna zase napájení velkých laserů. Teprve poté začne vyrábět elektřinu pro elektrizační soustavu.

Nejvyšší účinný průřez (tj. pravděpodobnost reakce) při nejnižší teplotě nabízí fúzní reakce dvou izotopů vodíku deuteria a tritia (DT), a proto bude použita v prvních fúzních elektrárnách.

Z rovnic Lawsonova kritéria vyplývá, že DT palivo může za obecných podmínek nejsnáze splnit Lawsonovo kritérium při teplotě 300 milionů stupňů Celsia (pozn. aut. při adaptaci kritéria na tokamaky se optimální teplota snižuje na 160 mil. stupňů). Při této teplotě má kritérium vědeckého vyrovnání tvar:

n . τE ≥2,5×1019  s/m3

Splnění kritéria je možné více způsoby, protože rovnice stanoví požadavky na součin hustoty a doby udržení energie, nikoliv na parametry samotné. Můžeme například zkusit udržet palivo o nízké hustotě po dlouhou dobu, nebo naopak na krátkou dobu stlačit palivo na vysokou hustotu.

Při velmi vysokých teplotách je každá látka ve skupenství plazmatu, které je tvořeno samostatnými atomovými jádry a elektrony. Jádra a elektrony jsou nabité částice a ty lze spoutat magnetickým polem. Ve velkém objemu reaktoru zatím neumíme vytvořit magnetické pole příliš vysoké, a hustota plazmatu proto musí být nízká, mnohem nižší, než je hustota vzduchu, na úrovni 1019 až 1020 částic/m3.

Podle Lawsonova kritéria si v takovém případě musí palivo udržet svoji energii řádově sekundy. Prakticky to znamená, že umístíme plazma do magnetického pole a snažíme se snížit ztráty jeho energie. Snížení ztrát můžeme dosáhnout vhodnou konfigurací parametrů plazmatu anebo zvětšením objemu plazmatu.

Splnění Lawsonova kritéria s použitím magnetického pole se označuje jako fúze s magnetickým udržením (Magnetic Confinement Fusion, MCF) nebo zjednodušeně magnetická fúze. Hlavním reprezentantem magnetické fúze jsou tokamaky, z nichž nejúspěšnější je tokamak JET.

Jinou cestou je využít setrvačnost, která zabrání změně polohy částic paliva. Stlačíme palivo na velmi vysokou hustotu a fúzní reakce proběhnou dříve, než se palivo rozletí. Charakteristický čas setrvačnosti je ale pouze 10-10 sekundy (0,000 000 000 1 s). Proto pro splnění uvedeného kritéria musíme palivo stlačit na hustotu nejméně 1030 částic/m3 tlakem stovek miliard atmosfér. Tento způsob splnění Lawsonova kritéria se označuje jako fúze s inerciálním udržením (Inertial Confinement Fusion, ICF) nebo laserová fúze. Hlavním reprezentantem jsou laserové systémy s nepřímým zapálením, z nichž nejúspěšnější je NIF.

Kromě magnetické a laserové fúze se zkouší řada metod kombinujících oba způsoby, magneto-inerciální fúze nebo inerciální fúze magnetizovaných terčů, které využívají magnetické pole k udržení a/nebo stlačení paliva na krátký okamžik a následnému využití setrvačnosti slučovaných atomových jader. Technicky je snadno realizovatelná fúze s inerciálně-elektrostatickým udržením, kde je magnetické pole nahrazeno elektrickým.

V USA v poslední době vznikla řada startupů, které slibují různá neobvyklá řešení fúzních reaktorů. Žádná z alternativních metod se však dosud ke splnění Lawsonova kritéria nepřiblížila.

Tokamaky vytvářejí pomocí magnetického systému helikální (šroubovicové) magnetické pole, které izoluje horké plazma od konstrukce reaktoru. Hlavní součástí tokamaku je toroidální vakuová nádoba, kterou obklopují magnetické cívky vytvářející v nádobě toroidální magnetické pole.

V ose nádoby je umístěn centrální solenoid, který indukuje v plazmatu elektrický proud. Tento elektrický proud vytváří poloidální magnetické pole. Podél prstence komory jsou dále rozmístěny vnější cívky poloidálního magnetického pole. Součtem magnetického pole cívek a elektrického proudu v plazmatu vzniká magnetické pole, které udržuje plazma uprostřed vakuové nádoby.

Tokamaky jsou ze všech fúzních zařízení nejblíže k energetickému využití. V roce 1997 dosáhl tokamak JET na krátkou dobu fúzního výkonu 16 MW a uvolnil 13,8 MJ fúzní energie. V roce 2021 pak JET dokázal během pěti sekund uvolnit 59 MJ fúzní energie, nejvíce ze všech fúzních zařízení na světě.

Úspěšnost tokamaků vedla k jejich rozšíření po celém světě. V současnosti jich je v provozu 55 a dalších sedm je ve výstavbě. Mezi těmi ve výstavbě je mezinárodní fúzní reaktor ITER o výkonu 500 MW anebo tokamak COMPASS-U s vysokým magnetickým polem Ústavu fyziky plazmatu AV ČR v pražském Ládví. Na základě dosaženého pokroku se první fúzní elektrárny projektují s tokamaky.

Magnetické udržení používají také tzv. stelarátory. Stelarátory se od tokamaků liší tím, že helikální magnetické pole vytvářejí pomocí cívek komplexního 3D tvaru bez potřeby elektrického proudu v plazmatu. Nejpokročilejší stelarátor na světě Wendelstein 7-X postavený v německém Greifswaldu nedávno zahájil svůj vědecký program a bude zajímavé, jak se vyrovná tokamakům.

Laserových zařízení je v provozu řada, ale většina z nich je určena pro jiný výzkum a umožňuje testovat pouze dílčí otázky jaderné fúze. Nedostatkem většiny laserových zařízení je nízká energie laserů.

V současnosti jsou v provozu pouze dvě zařízení na světě, která jsou schopná dopravit potřebnou energii do palivového terčíku – americké zařízení NIF a Laser Magajoule (LMJ) ve výstavbě ve Francii. Potřebná energie laserů deponovaná v palivovém terči se odhaduje na 1 až 5 MJ. NIF dokázal v posledních experimentech do terče dopravit 2 MJ energie. Lasery LMJ by měly po dokončení do terče dopravit 1 MJ energie.

Lasery se zaměří na malou opláštěnou kuličku paliva o průměru 1-2 mm a zahřátím povrchu kuličky dojde k explozivnímu odpaření obalu kuličky. Současně s odpařením obalu dojde na základě akce-reakce k prudkému stlačení vnitřku kuličky s palivem.

Dosáhnout potřebnou hustotu paliva ale není snadné, protože se palivo snaží uniknout ze stlačovaného prostoru a využívá jakékoliv nerovnoměrnosti v působícím tlaku. Díky tomu se přímé zapálení lasery zaměřenými na kuličku ukázalo jako příliš obtížné a pokrok nastal až při použití tzv. nepřímého zapálení.

Kulička paliva je umístěna do malé dutinky, označované jako hohlraum, a lasery nejsou zaměřeny na palivo, nýbrž dovnitř dutinky. Impuls vysoké energie laserů dutinku vypaří a přitom vznikne velké množství rentgenových paprsků. Rentgenové paprsky zahřejí povrch palivové kuličky rovnoměrněji než lasery a umožní dosáhnout mnohem vyššího stlačení paliva.

NIF využívá pro stlačení paliva 192 laserů o celkovém výkonu až 500 TW. Pomocí nepřímého zapálení se postupně podařilo stlačit palivo extrémním tlakem 600 miliard atmosfér a ohřát je na teplotu přesahující 130 milionů stupňů Celsia.

V roce 2021 lasery uvolnily 1,37 MJ fúzní energie. 5. prosince 2022 se podařilo do terčíku dodat energii 2,05 MJ, přičemž se uvolnilo 3,15 MJ fúzní energie. Energie byla uvolněna v krátkém výboji, na který trvala příprava laserů více než osm hodin. Uvolněná fúzní energie překročila externí energii dodanou lasery a NIF splnil kritérium vědeckého vyrovnání.

Tokamaky v současnosti vyžadují pro snížení energetických ztrát paliva velký objem plazmatu, a proto se staví největší tokamak ITER. Usilovně se pracuje na řízení plazmatu, zvyšuje se účinnost systémů ohřevu paliva, vyvíjejí se zařízení pro neinduktivní generování elektrického proudu v plazmatu. Také se vyvíjejí odolné pokročilé materiály a technologie tritia, které budou v budoucnu potřebné pro všechny typy fúzních elektráren.

Laserová fúze potřebuje silnější, rychlejší a účinnější lasery. Lasery by měly být schopny dopravit do paliva až dvojnásobné množství energie než dnes a výstřely by měly následovat rychle za sebou s frekvencí nejméně 10krát za sekundu, aby bylo uvolňování energie kontinuální.

Zatím výkonné lasery zvládnou jeden výstřel za několik hodin. Je třeba také vyřešit, jak opakovaně rychle a přesně umísťovat palivové kuličky v dutince do středu reaktoru a jak ochránit reaktorovou nádobu před pulsním zatížením z fúzních mikrovýbuchů.

Výzkum proto bude na obou stranách usilovně pokračovat. Tokamak JET připravuje třetí sérii DT experimentů zaměřenou na zvýšení množství uvolněné fúzní energie. Asijské supravodivé tokamaky EAST a KSTAR budou zdokonalovat udržení plazmatu v dlouhých pulsech při termojaderných teplotách. A především bude v blízké budoucnosti spuštěn mezinárodní tokamak ITER, jehož výstavba postupuje do finále.

Mezitím bude v řadě zemí pokračovat příprava výstavby prototypu fúzní elektrárny, v Evropě označovaného jako DEMO. Jejich výstavba bude zahájena hned, jakmile ITER ověří vyvinuté reaktorové technologie. V NIF proběhne další zdokonalení laserů a struktury palivových kuliček a je pravděpodobné, že se podaří dále zvyšovat množství uvolněné fúzní energie a přiblížit se k zapálení fúzní reakce.

První fúzní elektrárny budou s velkou pravděpodobností využívat tokamaky, jejichž technologie je ve srovnání s lasery výrazně pokročilejší. Nicméně oba přístupy k jaderné fúzi, tokamaky a lasery, řeší jak jedinečné tak společné technické problémy a je proto důležité oba přístupy podporovat. Úspěchy tokamaku JET i laserového zařízení NIF jasně ukazují, že fúzní výzkum jde správným směrem.

Slavomír Entler (Ústav fyziky plazmatu)

(Aktualizace 18.2. 19:59: Upravili jsme titulek článku, aby lépe vystihoval oba přístupy, opravili drobné typografické chyby a doplnili pasáž o dalším vývoji technologie.)