Tajemství věčné energie: Proč je funkční termojaderný reaktor stále hudba budoucnosti?
Zatímco renesanční alchymisté věřili, že všechno vyřeší kámen mudrců, dnešní fyzikové se domnívají, že energetické potíže naší civilizace spasí termojaderná fúze. V 60. letech minulého století vědci počítali s tím, že fúzi zkrotí nejpozději za půl století. Jenže dnešní časový odhad zůstává stejný…
Myslím, že termojaderná fúze jako zdroj energie budoucnosti teď vypadá věrohodněji než před deseti lety, uvedl nedávno Omar Hurricane, vedoucí programu jejího výzkumu v americké Lawrence Livermore National Laboratory. „Ale v příštích deseti až dvaceti letech to ještě nepůjde, takže potřebujeme jiná řešení.“
Tony Donné, programový manažer projektu EUROfusion, je méně diplomatický: „Každý, kdo říká, že za pět nebo deset let budeme mít funkční termojaderný reaktor, je buď ignorant, nebo lhář.“
Naproti tomu zpráva FIA Global Fusion Industry Report tvrdí, že 66 procent hlavních hráčů v odvětví se domnívá, že první fúzní elektrárny dodají elektřinu do sítě už v roce 2035 nebo ještě dřív.
„Jaderná fúze je majákem naděje na budoucnost bez emisí uhlíku a bez závislosti na omezených zdrojích,“ jásá v budovatelském duchu vědecko-technický komentátor Kit Million Ross v odborném časopisu Power Technology. „Přestože tu stále jsou velké překážky, představuje jaderná fúze pozoruhodný důkaz lidské vynalézavosti a vědeckého pokroku."
Dokument Evropské komise nazvaný Volba energie pro budoucnost Evropy je ještě konkrétnější a optimistický: „Fúzní elektrárny budou vhodné pro výrobu základní dodávky energie a budou sloužit potřebám hustě obydlených oblastí a průmyslových zón. Mohou také vyrábět vodík pro takzvanou vodíkovou ekonomiku.“
Energie do skonání věků
Jaderné elektrárny už máme, takže by se mohlo zdát, že stačí přidat předponu „termo-“ a je vymalováno. Tak jednoduché to ale samozřejmě není. Mnoho lidí se v tom však nevyzná a vidí v termojaderném získávání energie jenom trochu složitější verzi toho jaderného. V angličtině je možnost zmatení ještě větší: jaderným reakcím v dnešních elektrárnách, kdy jde o štěpení atomů, se říká „fission“, termín pro termojaderné reakce v elektrárnách budoucnosti je „fusion“.
Ve skutečnosti je mezi jaderným a termojaderným reaktorem možná ještě větší rozdíl než mezi parním strojem a elektromotorem. Když to hodně zjednoduším, pak v jaderném reaktoru se složité atomy štěpí na jednodušší, zatímco v termojaderném se naopak jednoduché atomy slučují ve složitější. Fúzních reakcí je víc, tou nejjednodušší a pro získávání energie nejvhodnější je slučování deuteria a tritia, což jsou izotopy vodíku.
Tím ovšem rozdíly zdaleka nekončí. Jeden z nich spočívá v náročnosti potřebných technologií.
Když roku 1942 sestavil Enrico Fermi první jaderný reaktor, byly to jen šikovně uspořádané kusy uranu a náklady nepřesáhly 2,7 miliónu tehdejších dolarů. Naproti tomu termojaderné reaktory jsou nesmírně složitá zařízení, která už spolkla miliardy dolarů a dodnes se v nich nepodařilo kýženou reakci trvale udržet tak, aby energetický zisk byl výrazně větší než spotřeba reaktoru.
Další rozdíl je v množství energie, které je možné termojadernou fúzí teoreticky získat, a právě to je důvod, proč vynaložených miliard nemusíme litovat. V tom se jí totiž žádný jiný způsob ani přibližně nevyrovná. Nedokáže to nejen žádná chemická reakce, jako třeba spalování v tepelných strojích, ale dokonce ani jaderné štěpení v dnešních elektrárenských reaktorech. Pouhých deset gramů deuteria a patnáct gramů tritia by vystačilo na celoživotní energetickou spotřebu průměrné osoby v průmyslově rozvinuté zemi. Přitom těchto deset gramů deuteria se získá z 500 litrů mořské vody (jeden atom deuteria v ní připadá na 6500 atomů obyčejného vodíku) a patnáct gramů tritia vznikne bombardováním třiceti gramů lithia neutrony, jež může produkovat přímo fúzní reaktor.
Anebo jinak – z deuteria obsaženého v jednom litru vody lze uvolnit při termojaderné fúzi tolik energie jako spálením 300 litrů benzínu.
A jen pro představu: na Zemi je tolik deuteria a lithia, že by to současnou energetickou spotřebu lidstva pokrylo na osm miliard let. To je o dvě miliardy let déle, než se Slunce začne měnit v rudého obra a naši planetu zničí.
Zdálo by se tedy, že energetická krize je jednou provždy zažehnaná. Nejásejme však předčasně. Aby došlo ke spojení atomových jader, je potřeba překonat jejich obrovskou odpudivou sílu. A to se pořád nedaří tak, aby se vyplatilo tímto způsobem elektřinu vyrábět komerčně, ačkoliv snaha rozhodně nechybí.
Prométheovský sen
Překonat odpudivé síly mezi atomy je možné zvýšením teploty a tlaku. Potíž je v tom, že ono zahřátí představuje desítky až stovky miliónů stupňů a významnou roli hraje i tlak. Dlouhodobě se takové podmínky udržují pouze v nitru hvězd, včetně našeho Slunce. Vědcům se to už také povedlo – pohříchu ale pouze neřízeným způsobem v podobě vodíkové pumy. Provádí se to tak, že odpudivé síly atomových jader přemůže exploze klasické atomové pumy. Je tedy možné uvolnit síly, které zlikvidují všechno široko daleko a v konečném důsledku nejspíš i veškerý život na Zemi. Elektřinu tak ale pochopitelně vyrábět nejde.
Mohlo by se zdát, že tady cesta za řízenou termojadernou fúzí končí, protože neexistuje nádoba, jejíž stěny by odolaly podmínkám, jež vyžaduje. Ale příroda fyzikům nechala pootevřená dvířka. Každá látka se při určité vysoké teplotě stává plazmou, což je čtvrté skupenství hmoty, které je (zjednodušeně řečeno) elektricky vodivé. Taková tedy bude i směs deuteria a tritia, již chceme přinutit ke slučování. Jde ji tedy usměrňovat magnetickým polem. Nádoba, v níž se bude odehrávat řízená termojaderná fúze, proto nemusí mít žádné stěny – jejich funkci nahradí magnetické pole.
Vědci na to přišli už v 50. letech minulého století, dokonce vymysleli hned dva způsoby, jak takové zařízení vytvořit. Američané to své nazvali stelarátorem, v Sovětském svazu zase přišli s tokamakem. Zdálo se, že zažehnout na povrchu Země malé umělé Slunce a přinutit ho vyrábět elektřinu už je pouze otázkou času. V moderní verzi by se tak naplnila báje o Prométheovi, který ukradl oheň bohům, aby ho daroval lidem.
Americký astrofyzik Lyman Spitzer (1914–1997) je známý spíš jako kmotr Spitzerova kosmického dalekohledu, na jehož vývoji se významně podílel. Během studené války, v 50. let minulého století, však dělal v přísném utajení něco úplně jiného. Zabýval se řízenou termojadernou fúzí. Konkrétně konstrukcí zařízení, jež by pomocí silných magnetů umožnilo zažehnout a udržet fúzní reakci. Začalo se mu říkat stelarátor, což by se dalo přeložit nejspíš jako stroj na výrobu hvězd.
Přibližně ve stejné době a ještě v přísnějším utajení se v tehdejším Sovětském svazu stejným problémem zabývali Andrej Sacharov (1921–1989) a Igor Tamm (1895–1971). Také jejich magnetická nádoba měla tvar prstence. Ale na rozdíl od stelarátoru (opět zjednodušeně řečeno) umožňuje plazmu ještě dál zahřívat. Říká se tomu tokamak, což je zkratka ruských slov toroidalnaja kamera s magnitnymi kartuškami (toroidní komora s magnetickými cívkami).
V původních stelarátorech a tokamacích se zažehnutí termojaderné fúze nedařilo, ale jejich vylepšováním se vědci začali požadovaným parametrům pomalu blížit. Dlouho to vypadalo, že favority termojaderných dostihů jsou tokamaky, a většina výzkumných pracovišť se věnovala jim. V současnosti největším takovým zařízením je mezinárodní projekt ITER. Ten ale ještě není dokončený (a hned tak nebude), takže rekord mezi tokamaky drží britský JET, v němž se podařilo udržet termojadernou reakci po dobu 5,2 sekundy. Vadou na kráse ovšem je, že se na provoz spotřebovalo víc energie, než se fúzí uvolnilo.
Tokamaky jsou i v Česku. ČVUT používá k výukovým účelům zařízení GOLEM, což je modernizovaný sovětský tokamak z 80. let. Modernějším a větším zařízením disponuje od roku 2009 Fyzikální ústav Akademie věd ČR. Jde o původně britský tokamak COMPASS, který byl předchůdcem již zmíněného JET. Na COMPASS vědci studují především působení horkého plazmatu na stěny zařízení, metody zvýšení teplot a doby udržení i některé jevy probíhající uvnitř komory. Získávají tak údaje pro vysvětlení dosud neobjasněných jevů souvisejících s termojadernou fúzí. Tokamakům ale nefandí všichni. Některým odborníkům vadí, že dodatečný ohřev způsobuje jevy, jež se zatím nedaří úspěšně zvládnout, proto se zase vracejí ke stelarátorům. Největším takovým zařízením momentálně je Wendelstein X-7 v Institutu Maxe Plancka v německém Greifswaldu.
ITER a ti druzí
Největším projektem tokamaku je již zmíněný ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), který se staví ve francouzském Cadarachi. Kromě EU se na vůbec nejdražším vědeckém experimentu všech dob podílejí také USA, Čína, Japonsko, Rusko, Jižní Korea a Indie. Je víc než jisté, že odhadované náklady až 22 miliard eur budou výrazně překročeny, a podobné to bude s termínem dokončení. Říkalo se, že to bude v roce 2016, nyní se oficiálně tvrdí, že plný provoz začne roku 2035. Tomu ale už teď věří jen málokdo.
Ani ITER nebude sloužit k výrobě elektřiny, je to pouze další experimentální tokamak, ovšem tentokrát bude opravdu hodně velký. Pokusný reaktor by měl při pulsech trvajících asi 400 sekund produkovat výkon okolo 500 MW. Od toho je nutné odečíst nemalou spotřebu na dosažení a udržení potřebných hodnot magnetického pole supravodivých magnetů, teploty 100 miliónů stupňů a na provoz celého zařízení.
Teprve potom by měla následovat první skutečná elektrárna, byť stále ještě pouze experimentální. Toto zařízení je označováno výmluvným názvem DEMO a mělo by mít výkon asi 1000 MW. I největší optimisté většinou nepředpokládají, že dodá energii před rokem 2050. Zatímco pesimisté se obávají, že k tomu nedojde nikdy.
Američtí vědci sledují ještě jednu cestu k termojaderné fúzi – pulsní ohřev izotopů vodíku pomocí výkonného laseru. Směs deuteria a tritia je zpracována do malých tablet, na něž ze všech stran míří paprsky světelné energie. Mohutný puls laserů tabletu na krátký okamžik stlačí a zahřeje až na úroveň, při níž dojde k zážehu termonukleární reakce.
Největším zařízením pro výzkum termojaderné fúze prováděné za pomocí laseru je National Ignition Facility (NIF) v Livermore National Laboratory, které spadá pod ministerstvo energetiky USA. Se stavbou objektu o rozloze fotbalového hřiště se začalo v roce 1997. Srdcem NIF je jeden z nejvýkonnějších energetických laserů na světě. Jeho světlo dělí hranoly na 192 svazků. Ty pak další optika zaostří na kapsli velikosti fazole s izotopy vodíku umístěnou v kulové reakční komoře o průměru 10 metrů. Mohutný impuls světelné energie ji na několik miliardtin sekundy stlačí a zahřeje až na teplotu stovky miliónů stupňů a hustotu, která je dvacetkrát vyšší než hustota olova. V tomto okamžiku dojde k zážehu termonukleární reakce. Při každém takové pulsu se uvolní energie odpovídající spálení asi 15 kilogramů kvalitního uhlí. Roku 2022 vědci z NIF oznámili přelomový úspěch. Poprvé se jim podařilo docílit termojaderné fúze a současně z ní získat víc energie, než do experimentu vložili.
Od záblesků laseru vede k termojaderné elektrárně ještě dlouhá cesta, ale je možné, že jde o cestu schůdnější a snad i o trochu levnější, než jsou tokamaky a stelarátory. Není bez zajímavosti, že výzkumem využití vysokoenergetických laserů při termojaderné fúzi se zabývají také pracovníci vědeckého centra ELI Beamlines v Dolních Břežanech u Prahy.
Pro úplnost je třeba uvést ještě jednu možnost – takzvané hybridní reaktory. Šlo by o termonukleární reaktory, jejichž produkce neutronů by sloužila k přeměně vyhořelých článků z klasických jaderných elektráren na znovu použitelné palivo. Přední český odborník, profesor Jan Mlynář, byl k této koncepci spíše skeptický. „Myšlenka obklopení již tak extrémně komplikovaného fúzního zařízení vyhořelým palivem představuje další technickou a bezpečnostní komplikaci projektu, který je už tak na samých hranicích toho, co dokáže moderní technika postavit,“ napsal v pozoruhodné publikaci Nejžhavější sen pod Sluncem.
Pro a proti
Když po skončení druhé světové války zachvátilo lidstvo nadšení z možností mírového využití jaderné energie, vypadalo to, že začíná zlatý věk civilizace. Nechyběla ani tvrzení, že díky atomu bude elektřiny neomezené množství a zadarmo. Kocovina přišla až později, jaderné elektrárny jsou extrémně drahé a produkují téměř nezničitelný, ale o to nebezpečnější odpad. Řeči o elektřině zadarmo dnes vypadají jako nepovedený vtip.
Bude to stejné i s energií termojaderné fúze? Její rozhodující výhodu už známe – téměř nevyčerpatelné zásoby levného a dostupného paliva. Kromě toho na rozdíl od jaderných elektráren nemůže dojít ke katastrofám s rozměry Černobylu nebo Fukušimy, protože bez dodávek energie z vnějšku se reakce okamžitě zastaví. Jinými slovy, zatímco jaderný reaktor, jenž se vymkne kontrole, rozpoutá neřízenou štěpnou reakci se vším, co ke správné apokalypse patří, jeho termojaderný kolega jenom tiše zhasne. A navíc, termojaderná výroba energie je ekologičtější a čistší.
Vzhledem k potřebě zdůvodnit astronomické náklady na výzkum se o nevýhodách mluví mnohem méně, přestože jsou docela zásadní. Někteří odborníci dokonce tvrdí, že fatální. Především zatím všechno nasvědčuje tomu, že taková elektřina bude mimořádně drahá. Samotná elektrárna nejspíš bude mnohem dražší než současné jaderné. K jejímu postavení bude třeba ještě větší koncentrace kapitálu a ekonomické moci. Takové zařízení nemusí ani explodovat, aby svět kolem sebe změnilo...
Jsou tu i konkrétní důvody, proč budou fúzní elektrárny drahé. Americký expert William E. Parkins v prestižním vědeckém časopise Science před časem poukázal na to, že neexistují materiály, jež by dlouhodobě odolávaly teplotám a účinkům neutronů při termojaderné fúzi. Opotřebené části (většinou z drahých slitin) tedy bude nutné často vyměňovat. Ekonomické analýzy provozu termojaderné elektrárny neexistují, protože dosud nevíme, jak bude vypadat, mnohé ale naznačuje, že její produkce bude hodně nákladná.
Nic z toho ale neznamená, že termojaderná energie se nemá zkoumat. Nejsme v situaci, kdy bychom si mohli dovolit opominout jakýkoliv zdroj energie. Ale kromě nepopiratelných a často zdůrazňovaných výhod je nutné mít na zřeteli také nevýhody, které zatím zůstávají spíš stranou pozornosti.
