Pokrok ve výzkumu jaderné fúze umožní v blízké budoucnosti integrovat fúzní reaktory do energetiky. Ty na rozdíl od jaderných nehrozí haváriemi ani radioaktivním odpadem. O energetickém využití jaderné fúze se mluví od 50. let minulého století a nyní se konečně přiblížila výstavba prvních fúzních elektráren. K jejich přípravě přispěje také tokamak COMPASS-U, který vzniká v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR v Praze.
Jaderná fúze je přirozeným zdrojem energie celého vesmíru a probíhá ve všech hvězdách včetně našeho Slunce. Díky ní je vesmír takový, jaký ho známe. Ve hvězdách vznikají z lehkých chemických prvků těžší, a přitom se uvolňuje velké množství energie. Vesmír se jadernou fúzí mění a zvyšuje se jeho komplexita. V pozemských podmínkách představuje jaderná fúze nízkouhlíkový, nízkoemisní a nízkoodpadový energetický zdroj, který umožní vyrábět elektřinu s vysokým výkonem nezávisle na počasí a bez negativních dopadů na životní prostředí.
Zásadní výhoda fúzních elektráren? Bezpečnost
Jedním z charakteristických rysů využití jaderné fúze je vysoká energetická kapacita fúzního paliva. Fúzní elektrárna o výkonu jaderné elektrárny v Temelíně spotřebuje méně než 2 kg paliva složeného z vodíkových izotopů denně, což je nejméně ze všech známých energetických zdrojů vyžadujících palivo. Zásoby fúzního paliva na Zemi jsou přitom prakticky nevyčerpatelné a globálně dostupné. Při fúzní reakci bude jako odpad vznikat komerčně žádané helium, které bude z většiny využito přímo v elektrárně. Ostatní provozní odpad bude recyklovatelný a jeho množství bude závislé na technologické vyspělosti fúzních reaktorů.
Fúzní elektrárny budou inherentně bezpečné (tzn. vnitřně bezpečné i bez zásahu člověka) bez jakéhokoliv rizika závažné havárie, protože nekontrolovaná fúzní reakce je ve fúzních reaktorech fyzikálně vyloučená. Pro průběh energeticky ziskové fúzní reakce je nezbytná velmi vysoká teplota, vyšší než sto milionů stupňů Celsia, která se v přirozených podmínkách na Zemi nikde nevyskytuje. Proto fúzní reakce nemůže probíhat bez rozsáhlé podpory externích technologií. Palivo bude nejprve nutné ohřát na vysokou teplotu a jakákoliv závažnější porucha nebo havárie povede k jeho ochlazení, což způsobí okamžité zastavení reakce. Dalším bezpečnostním rysem fúzních elektráren bude velmi malé množství paliva potřebné pro průběh reakce. V reaktoru bude vždy jen několik gramů paliva, jehož doplňování bude možné kdykoliv zastavit a při poškození reaktoru by jeho únik nijak neohrozil životní prostředí.
Od Rutherforda po ITER: osmdesát let výzkumu jaderné fúze
Jadernou fúzi ale dosud neumíme využívat, přestože její výzkum probíhá od třicátých let minulého století, kdy se Ernestu Rutherfordovi podařilo pomocí urychlovače poprvé vyvolat fúzní reakci. Prvním, kdo poukázal na náročné podmínky pro energetické využití jaderné fúze, byl britský inženýr John David Lawson, jehož práce se stala základem pro hodnocení vyspělosti fúzních reaktorů. Lawsonovo kritérium popisuje minimální parametry, které musí fúzní palivo mít, aby mohla fúzní elektrárna vyrábět užitečnou elektřinu. Zvláštností Lawsonova kritéria je, že jej lze splnit různými kombinacemi parametrů paliva: jeho hustoty a doby udržení energie, která charakterizuje rychlost jeho chladnutí. Volba parametrů pak ovlivňuje podobu fúzního reaktoru. Fúzní výzkum je majoritně zaměřen na reaktory s magnetickým udržením paliva, charakteristické nízkou hustotou paliva a dlouhou dobou jeho udržení. Okrajově probíhá výzkum na reaktorech s inerciálním udržením paliva, při kterém je palivo naopak velmi husté a je pohromadě udrženo jen vlastní setrvačností. Předmětem soukromého výzkumu je řada různých alternativních konceptů reaktorů, avšak žádný z nich neprokázal potenciál splnit Lawsonovo kritérium.
Magnetické udržení paliva spočívá v izolaci horkého paliva pomocí magnetického pole. Při teplotách nad 100 milionů °C, které jsou nutné pro splnění Lawsonova kritéria, je každá látka ve skupenství plazmatu. Na plazma je možné působit magnetickým polem a omezit tím jeho kontakt s konstrukcí reaktoru. Nejlépe se to daří v tokamacích se silným toroidálním magnetickým polem a indukčně buzeným elektrickým proudem v plazmatu. V současnosti je v provozu 57 tokamaků, 7 je ve výstavbě a 16 dalších se plánuje. Vlajkovou lodí fúzního výzkumu je mezinárodní tokamak ITER, jehož výstavba probíhá ve Francii. Alternativou k tokamakům možná budou nové stelarátory, v nichž je magnetické pole vytvářeno pouze vnějšími, složitě zakroucenými cívkami a plazmatem neprochází elektrický proud (zatímco v tokamacích ano). Stelátory nabízejí stabilnější magnetické udržení než tokamaky, avšak dosud nebyly dostatečně vyzkoušeny.
Inerciální udržení paliva je založeno na jeho vysokém stlačení, po kterém fúzní reakce proběhnou dříve, než se palivo rozptýlí. Potřebný extrémně vysoký homogenní kompresní tlak v řádu stovek miliard atmosfér je ale schopno vyvinout pouze jediné zařízení na světě, americké vojenské laserové zařízení National Ignition Facility (NIF) v Kalifornii. Francouzské vojenské zařízení Laser Megajoule nedaleko Bordeaux má mnohem menší výkon a žádná jiná vhodná laserová zařízení na světě nejsou a ani se nestaví.
Výzkum v posledních letech zaznamenal řadu úspěchů. V roce 2021 evropský tokamak JET v britském Culhamu uvolnil v řízené fúzní reakci 59 MJ energie. V roce 2022 laserové zařízení NIF uvolnilo 3,15 MJ energie a překročilo Lawsonovo kritérium, protože fúzní reakce uvolnily více energie, než kolik do terče dodaly lasery. V témže roce byl v německém Greifswaldu do vědeckého provozu uveden moderní stelarátor Wendelstein 7-X s potenciálem konkurovat tokamakům. V roce 2023 evropský tokamak JET uvolnil 69 MJ a dosáhl průměrného výkonu fúzních reakcí 13 MW. V letošním roce zařízení NIF zvýšilo zisk fúzní energie a uvolnilo 8,6 MJ energie.
Výsledky tokamaku JET prokazují naši schopnost řídit termojadernou reakci doprovázenou uvolňováním energie. Průměrný fúzní výkon 13 MW trval po celou dobu experimentu omezenou možnostmi výzkumného tokamaku. Byla tak prokázána fyzikální realizovatelnost fúzního zdroje energie a nyní bude následovat ověření technické realizovatelnosti reaktoru o vysokém výkonu v rámci projektu ITER.
Výsledky laserového zařízení NIF představují velký vědecký úspěch, který potvrdil možnost alternativní cesty dosažení jaderné fúze. Před vědci nyní stojí řada vědeckých úkolů, především zlepšení opakovatelnosti a předvídatelnosti výsledků. Energetickému využití bude prozatím bránit nedostupnost dostatečně výkonných a současně rychlých laserů, a řada dalších technických výzev.
Budoucnost fúzních reaktorů: od COMPASS-U k EU DEMO
Jedním z rysů výzkumu jaderné fúze je, že probíhá na hranici technologických možností a posouvá ji směrem k podmínkám panujícím v nitru hvězd. Stamilionové teploty a extrémní radiační a tepelné toky kladou na fúzní reaktory vysoké požadavky. Výzkum je limitován schopnostmi dostupných technologií, jako je například dosažitelná síla magnetického pole nebo odolnost materiálů.
Vývoj energetických reaktorů vyžaduje fyzikálně srovnatelná výzkumná zařízení. Jedním z takových zařízení bude tokamak COMPASS-U budovaný v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR v pražském Ládví. COMPASS-U bude fyzikálně podobný energetickým reaktorům svým silným magnetickým polem 5 T v ose plazmatu a teplotou stěny obklopující plazma až 500 °C, která bude nezbytná pro využití odváděného tepla k výrobě elektřiny. Tepelné toky v tokamaku překročí 100 MW/m2 a zařízení bude mimo jiné testovat aplikaci tekutých kovů pro ochranu tepelně zatížených povrchů. COMPASS-U vytvoří stejné prostředí, jaké bude panovat v reaktorech fúzních elektráren. Než bude zprovozněn reaktor ITER, bude COMPASS-U jediným zařízením na světě, kde bude možné výzkum v těchto podmínkách provádět. Projekt je realizován v úzké spolupráci s předními evropskými laboratořemi a v rámci strategické spolupráce s Ministerstvem energetiky USA.
Nový reaktor ITER vytvoří komplexní prostředí energetických reaktorů a umožní studovat procesy probíhající při vysokém výkonu uvolňované energie. ITER postupně dosáhne fúzního výkonu 500 MW, bude testovat vyvinuté komponenty a technologie, a umožní sestavit provozní scénáře pro první fúzní elektrárny. Na projektu se podílí Evropská unie, USA, Rusko, Čína, Indie, Japonsko a Jižní Korea. Výstavba ITERu byla zahájena v roce 2007 v Cadarache v jihofrancouzské Provence. Reaktor ITER bude spuštěn v roce 2034 a na plný výkon začne najíždět v roce 2039.
Někteří partneři projektu ITER již zahájili přípravu výstavby fúzních elektráren. Evropská unie připravuje výstavbu elektrárny EU DEMO (Demonstration Fusion Power Plant), Velká Británie připravuje elektrárnu STEP (Spherical Tokamak for Energy Production), v USA je nejpokročilejší příprava elektrárny ARC (Affordable, Robust, Compact), Čína připravuje elektrárnu CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor), Japonsko pracuje na projektu JA-DEMO, Jižní Korea na projektu K-DEMO a Indie na projektu Indian DEMO. Rusko na projektu fúzní elektrárny nepracuje.
Evropský projekt EU DEMO přímo navazuje na projekt ITER a má za cíl vyvinout a postavit prototyp elektrárny s tokamakem, který bude sloužit jako vzor pro komerční elektrárny. V roce 2012 byl vydán plán Fusion Electricity: A roadmap to the realization of fusion energy, který definoval záměr Evropské unie spustit v blízké době výrobu elektřiny pomocí jaderné fúze. V roce 2018 byl plán aktualizován a přizpůsoben postupu projektu ITER. K připojení elektrárny do elektrické sítě by mělo dojít do roku 2060. Realizací projektu je pověřena evropská agentura Fusion for Energy za podpory konsorcia evropských výzkumných organizací EUROfusion, jehož je ČR aktivním členem.
Soukromý kapitál vstupuje do fúzního výzkumu
Výsledky výzkumu podnítily také zájem soukromých firem a investorů. Do loňského roku bylo ze soukromých zdrojů do fúzního výzkumu investováno téměř 9 miliard dolarů a k fúznímu výzkumu se hlásilo 53 firem. Mezi nimi vynikají firmy, které získaly špičkový vědecký tým z úspěšných výzkumných institucí, především americká firma Commonwealth Fusion Systems a německá firma Proxima Fusion.
Firma Commonwealth Fusion Systems je spin-off Massachusettského technologického institutu, od kterého získala špičkový tým vědců se zkušenostmi z provozu tokamaku s vysokým magnetickým polem Alcator C-Mod. Společnost zahájila výstavbu experimentálního tokamaku SPARC, prvního tokamaku na světě s magnetickými cívkami z vysokoteplotních supravodičů. Na základě získaných zkušeností bude zahájena stavba fúzní elektrárny s navazujícím energetickým reaktorem ARC. Elektrárna bude postavena ve městě Chesterfield v americké Virginii. Tokamak SPARC by měl být zprovozněn v roce 2027, elektrárna by měla začít dodávat elektřinu nejpozději od roku 2035.
V Evropě má největší potenciál firma Proxima Fusion, která vznikla jako spin-off německého Ústavu fyziky plazmatu Maxe Plancka. Tento ústav je dlouhá léta v čele evropského fúzního výzkumu a má rozsáhlé zkušenosti jak s tokamaky, tak se stelarátory. Jeho stelarátor Wendelstein 7-X vzbudil ve fúzní komunitě velká očekávání, protože by měl potvrdit předpokládané přednosti stelarátorů oproti tokamakům. Proxima Fusion plánuje využít znalosti získané při stavbě a provozu tohoto stelarátoru a postavit fúzní elektrárnu se stelarátorem. Elektrárna by měla být zprovozněna do roku 2040.
Kromě mainstreamového fúzního výzkumu, který představují tokamaky a stelarátory, je ze strany soukromých investorů podporován také vývoj různých alternativních konceptů fúzních reaktorů. Bohužel, v řadě případů jde o fyzikálně neuskutečnitelné vize, ve kterých hraje hlavní roli přesvědčivost autorů. Extrémem jsou smlouvy o prodeji budoucí elektřiny vyrobené z jaderné fúze. Například americká firma Helion uzavřela smlouvu se softwarovým gigantem Microsoft o dodávkách elektřiny od roku 2028 a s ocelárnami NUCOR STEEL od roku 2030 bez ohledu na to, že její koncept dosud neprokázal, že by byl schopen dodávky elektřiny zajistit.
Bouřlivý vývoj fúzního výzkumu naznačuje, že jsme na prahu nové energetiky a pokládáme její základní kameny. Fúzní energetika nebude poškozovat životní prostředí a její zdroje budou prakticky nevyčerpatelné. Avšak fúzní výzkum není dokončen, a ještě bude stát mnoho sil, než se fúzní elektrárny stanou realitou.
Komentáře