Výměna dvou Sluncí: jaderná fúze slibuje bezpečnou a čistou budoucnost

Sen o neomezené energii je zase o krok blíž realitě. Ústav fyziky plazmatu AV ČR spolu s novým tokamakem COMPASS Upgrade otevře éru energetiky zítřka. Jak budou fungovat elektrárny budoucnosti a jaké budou jejich výhody oproti těm stávajícím? Odpovědi nabídne jeden z nejkomplexnějších a technicky nejnáročnějších experimentů pro výzkum termojaderné fůze. Tématu jsme se věnovali v časopise A / Věda a výzkum.

Obyčejná půllitrová PET láhev s vodou. Její účel je jasný: otevřít víčko a vypít. Asi málokoho v tu chvíli napadne, že tím současně spotřeboval potenciální zdroj energie pro celý rodinný dům na jeden rok. Také by díky ní mohl někdy v budoucnu autem ujet 30 tisíc kilometrů. Nemluvíme o žádné alchymii, zůstáváme v oblasti fyziky, konkrétně jaderné.

V základním stavu vody průměrně připadá zhruba na šest tisíc atomů vodíku jeden atom deuteria. Tento prvek se společně s lithiem, které se nachází v zemské kůře, používá jako palivo pro termojadernou fúzi. Jde o proces, při němž se slučují atomová jádra lehčích prvků v jádra těžších prvků, a tím se uvolňuje energie. Slučování jader je podobné snaze přiblížit dva magnety shodnými póly k sobě. Je k tomu zapotřebí opravdu extrémní síla, jíž se dociluje díky vysoké teplotě a tlaku.

Termojaderná fúze by se v budoucnu mohla stát důležitým zdrojem poměrně bezpečně i ekologicky vyráběné energie. V experimentálních zařízeních zvaných tokamak se podmínky pro její dosažení zkoumají už více než 60 let. Byť je její plnohodnotné využití v podobě prototypu fúzní elektrárny DEMO od nás vzdáleno ještě dvě až tři desítky let, již zanedlouho k němu budeme alespoň o kousek blíže – díky tokamaku ITER, prvnímu energeticky ziskovému experimentálnímu zařízení.

Česká expertiza
Výstavba ITERu (International Thermonuclear Experimental Reactor) ve francouzském městě Cadarache začala před 14 lety. Vytvoření prvního plazmatu se předpokládá v roce 2026 a dosažení všech vědeckých cílů do roku 2036. Jde o nejrozsáhlejší mezinárodní vědecký projekt v historii. Podílejí se na něm Evropská unie, USA, Rusko, Čína, Indie, Japonsko, Jižní Korea a další státy. Důležitou roli v tomto výzkumu hrají také Češi – a to i díky tokamaku COMPASS, umístěnému v jedné z pražských budov Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.

Starší tokamak COMPASS si vědci ponechají k testování nových systémů.

Český tokamak například přispěl k objasnění toho, jak interaguje velmi horké plazma se stěnou reaktoru. To je důležité, protože v tokamaku ITER bude stěna obložena speciálními destičkami z beryllia, které budou v počáteční fázi výboje v intenzivním kontaktu s plazmatem. Při simulaci této fáze výboje na současném největším evropském tokamaku JET poblíž Oxfordu se zjistilo, že z neznámých důvodů dochází k roztavení a poškození části destiček.

„Na našem tokamaku jsme experimentálně objevili a popsali nový fyzikální jev, který tento problém způsoboval. Následně jsme pro ITER navrhli úpravy konstrukce, které budou tento jev eliminovat,“ připomíná ředitel Ústavu fyziky plazmatu AV ČR Radomír Pánek. „Původně nás kolegové z ITER Organization požádali o menší sérii experimentálních výbojů, ale skončilo to velmi detailní experimentální i teoretickou studií trvající několik měsíců, na které spolupracovala řada kolegů z celého světa,“ doplňuje vedoucí oddělení tokamak v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR Martin Hron.

Předání štafety
Český tokamak COMPASS nyní po 12 letech končí, aby předal štafetu experimentu nové generace. V experimentální hale, kde dosud zařízení stálo, se bourá podlaha a zesilují stěny, aby vzniklo vhodné místo pro nový, větší a výkonnější tokamak COMPASS Upgrade. Na výšku dosáhne šesti metrů a jeho vnitřní komora bude asi o polovinu větší než u stávajícího tokamaku. Nové zařízení bude obklopovat kryostat, který si můžeme představit jako „konzervu“, jež ho celá přikryje – už nebudou vidět charakteristické cívky a kabely jako doteď. Vnější průměr kryostatu bude mít přes šest metrů a celý tokamak bude vážit více než 350 tun, tedy přibližně desetkrát více než původní. Provoz by měl zahájit na přelomu let 2024 a 2025.

Jeho předchůdce si v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR zatím ponechají k testům systémů pro nový tokamak. „Původně vyjádřili zájem o převzetí a další provozování COMPASSu kolegové z Portugalska a Španělska, nicméně komplikace spojené s pandemií covid-19 a související rozpočtové škrty jim nakonec nedovolily projekt realizovat,“ říká Martin Hron. Vzájemné přebírání zařízení je u podobných projektů běžné – právě takovým způsobem se do Prahy dostal první tokamak, když předtím přes 10 let sloužil výzkumu ve Velké Británii v rozsáhlém centru pro fúzní výzkum UKAEA v Culhamu.

Během vědeckého programu tehdy zároveň zkonstruovali ještě jeden tokamak (takzvaný sférický), a protože jim nakonec rozpočtová omezení umožnila provozovat pouze jeden, nabídli COMPASS vědeckým institucím zastoupeným v evropském sdružení EURATOM. „Konkurz“ tehdy v roce 2006 vyhráli právě Češi. Zato nový tokamak si už navrhují a staví sami. „Zemí, které to dnes zvládnou, není moc, odhadem pět až sedm na světě. Dokonce si troufám říct, že COMPASS Upgrade bude jeden z nejkomplexnějších a technicky nejnáročnějších tokamaků současnosti,“ poznamenává Radomír Pánek.

Zmiňme jako důkaz několik parametrů: jeho magnetické pole, které v centrální komoře udrží pohromadě žhavé plazma, nabídne rekordní hodnotu pěti tesel. ITER sice bude mít ještě o půl tesly víc, ovšem ostatní tokamaky disponují většinou maximální hodnotou tří tesel. Několik málo experimentů provedených při takto vysokém magnetickém poli na tokamaku C-Mod, který provozovala americká univerzita MIT, naznačuje, že se při těchto podmínkách plazma začíná chovat stabilněji a umožní dosáhnout slibných nových provozních režimů pro budoucí reaktory.

Právě potlačení nestabilit, které vznikají ve žhavém plazmatu a následně ohrožují stěnu reaktoru, je jednou ze zásadních výzev. Ve středu plazmatu se totiž dosahuje teploty až 150 milionů stupňů Celsia, což je desetkrát více než teplota uprostřed Slunce. Vysoká teplota je podmínkou vzniku fúzní reakce. Vědci palivo, tvořené izotopy vodíku deuteriem a tritiem, zahřívají pomocí výkonných mikrovlnných systémů nebo externích urychlovačů atomů. V případě nového tokamaku COMPASS Upgrade je cílem vyvinout a instalovat systémy pro ohřev plazmatu s celkovým výkonem až 16 MW.

Jako na okraji Slunce
Tak jako COMPASS přispěl k vývoji francouzského ITERu, nový tokamak v pražském Ládví se bude vedle podpory projektu ITER zaměřovat především na řešení problémů s realizací projektu DEMO. „Plazma v obou zařízeních si bude v mnoha ohledech podobné. Stavbu projektu DEMO plánuje Evropa zahájit přibližně kolem roku 2040 a nebude to již klasický vědecký experiment, ale především prototyp komerčního reaktoru. Cílem našeho zařízení bude vyřešit některé z výzev spojených s jeho konstrukcí,“ vysvětluje Radomír Pánek.

Jedna z nich například souvisí s odvodem energie z plazmatu – tedy jak dostat z plazmatu, ve kterém hoří termonukleární reakce, to obrovské množství energie bez poškození stěn a dalších komponent reaktoru ven k výrobě elektřiny. Materiály vnitřních stěn tokamaku budou totiž tepelně namáhány podobně, jako by ležely na okraji Slunce. Nový český tokamak je již zahrnut v evropské cestovní mapě pro realizaci fúzní energie a bude součástí největšího evropského výzkumného konsorcia EUROfusion.

Bude mimo jiné sloužit jako evropské testovací zařízení pro využití technologie tekutých kovů ve fúzních zařízeních. Dnešní konvenční tokamaky používají pro tepelně nejvíce namáhanou oblast – takzvaný divertor – díly vyrobené z odolného wolframu. Stejnou technologii bude využívat i ITER. Nicméně už dnes víme, že pro DEMO toto řešení nestačí, a proto se vyvíjí metoda samoobnovování poškozených povrchů pomocí takzvaných tekutých kovů. Konkrétně to znamená, že desky divertoru budou tvořeny porézním wolframem, skrz nějž bude v důsledku kapilárních sil vzlínat ze zásobníku tekutý kov – slitina lithia a cínu. Ten na povrchu vytvoří tenkou vrstvu, se kterou bude interagovat dopadající plazma. Pokud dojde k poškození nebo odpaření této vrstvy, okamžitě se sama obnoví.

Technologii už vědci úspěšně otestovali na tokamaku COMPASS, kde prokázali, že krátkodobě odolá tepelným tokům až 15 MW/m2. „V novém tokamaku COMPASS Upgrade budeme technologii testovat za podmínek podobných fúznímu reaktoru a ve větší škále,“ dodává Radomír Pánek. O vývoj technologie má zájem také americké ministerstvo energetiky, se kterým ústav před třemi roky podepsal dohodu o spolupráci.

Bezpečnější než jaderná energie
Vývoj zdroje energie využívající jadernou fúzi probíhá od padesátých let a od té doby dosáhl významných pokroků. Další zásadní krok nastane se spuštěním tokamaku ITER, jehož cílem je již vyprodukovat 500 MW fúzní energie, tedy přibližně desetkrát více energie, než se do něj vloží. ITER má za cíl prokázat technologickou realizovatelnost takového zdroje energie. „Protože se fúzní výzkum odehrává ve světovém měřítku především okolo několika relativně nákladných experimentů, může působit jako finančně velmi náročný. Ovšem ve srovnání s celkovými výdaji do vývoje ostatních zdrojů energie nijak zásadně nevybočuje,“ říká Radomír Pánek. Navíc vzhledem ke své komplexnosti podporuje výzkum v řadě dalších zdánlivě nesouvisejících oborech, podobně jako tomu je například v kosmickém výzkumu.

Tokamak ITER v jižní Francii (na snímku podoba areálu z května 2020) 

Budoucí fúzní elektrárny se budou částečně podobat těm současným jaderným. Na rozdíl od nich však nabídnou několik zásadních výhod. Tou první je bezpečnost. „Exploze jako v Černobylu nastat nemůže,“ uklidňuje Martin Hron. „Proces probíhající v reaktoru bude totiž zcela jiný než ve štěpném reaktoru. Bude podobný hoření, kdy budeme palivo do plazmatu neustále přidávat po malém množství, po gramech, a jeho dodávku bude možné kdykoli přerušit, a tím ukončit probíhající reakci," dodává na vysvětlenou.

Termojaderná fúze nastává pouze při velmi vysokých teplotách plazmatu. Při jakémkoli nestandardním chování plazmatu, kdyby například vědci ztratili kontrolu nad jeho polohou, což by následně vedlo k jeho kontaktu se stěnou reaktoru, se okamžitě ochladí, a tím se také přeruší fúzní reakce. Výhodou oproti jaderným elektrárnám je též fakt, že po fúzi nezbývá nebezpečný odpad. Helium, jež se tvoří, je neškodný plyn, který má navíc další průmyslové využití. Z ekologického hlediska je proto fúze téměř čistý a bezemisní zdroj energie. Další výhodou je palivo, kterého máme téměř nevyčerpatelné zásoby, a navíc geograficky relativně rovnoměrně rozdělené.

První generace reaktorů bude jako palivo využívat izotopy vodíku – deuterium a tritium. Deuterium lze relativně lehce izolovat z vody a tritium se bude vyrábět uvnitř reaktoru z atomů lithia. Nicméně na cestě k tomuto vysněnému zdroji energie ještě zůstává řada výzev, které bude nutné v příštích minimálně dvou desítkách let vyřešit. Vědci z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR se na novém tokamaku budou snažit přispět k tomu, aby jediná láhev vody někdy v budoucnu nahradila nesrovnatelně větší množství fosilních paliv, jako jsou zemní plyn, uhlí nebo ropa.

Článek najdete v aktuálním vydání časopisu A / Věda a výzkum. Všechna dosavadní čísla jsou k dispozici zdarma a online na našem webu.

4/2021 (verze k listování)
4/2021 (verze ke stažení)

Text: Jan Klika, Jana Bečvářová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR  

Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Deformace silou magnetu. Unikátní spektroskopie odhalila vlastnosti slitiny
• Revoluční metoda českých vědců odhaluje strukturu chromozomu
• Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
• Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
• Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů
• Čistíme vodu efektivně? Kvalitu je možné snadno zvýšit, říkají vědci
• Pohyb světlem od dávné vesmírné sci-fi po dnešní realitu mikrosvěta
• Vize pro energii budoucnosti nabývá konkrétních obrysů díky novému tokamaku
• Obstála ve světě oceli, navíc v Japonsku. Vědkyně rozvíjí unikátní mikroskopii
• Bez jaderných elektráren se v Česku neobejdeme, říká předseda Komise pro energetiku