Na evropském tokamaku JET stojícím ve Velké Británii se podařilo prokázat platnost modelů, které se využívají v oboru jaderné fúze. Před třemi týdny oznámené výsledky naznačují, že slučování atomových jader by se tak skutečně v dohledné době mohlo stát reálně využitelným zdrojem energie.
V polovině minulého století se v pozemských laboratořích podařilo napodobit způsob, jakým si energii vyrábějí hvězdy. A optimismus některých vědců neznal mezí. Z dnešního pohledu velmi naivně předpokládali, že zanedlouho budou hlad lidstva po energii z velké části sytit termonukleární elektrárny. V polovině 20. století ještě netušili, že čím víc se budou snažit dosahovat vyšších parametrů plazmatu, tím víc se tomu bude plazma „bránit“. Tehdejší modely předpokládaly, že ztráty energie z plazmatu izolovaného ve vakuové nádobě pomocí silného magnetického pole budou jen malé. Mělo se za to, že energie bude „utíkat“ pouze vlivem srážek jednotlivých částic a jejich postupné difúze (posunem) napříč magnetickým polem směrem k okraji plazmatu. Velmi brzy experimenty ovšem fúzním optimistům ukázaly, na jak velikém omylu jsou. Ukázalo se, že zvyšování teploty plazmatu pomocí dodávání energie „zvenku“ je málo účinné. Vede k vyšší intenzitě turbulence a tím k rychlejšímu úniku energie z plazmatu. V důsledku tak nešlo plazma účinně zahřát na „zápalnou teplotu“ potřebnou ke spuštění termonukleární reakce. Následovaly roky frustrací a neúspěchů. Odborníci o fúzi sice stále snili, ale cesta k praktickému nasazení fúze se stala obtížnou a nejistou. To platilo i na přelomu 70. let a 80. let, kdy ve Velké Británii začala stavba velkého tokamaku JET (Joint European Torus). Dodnes jde o největší zařízení svého druhu na světě: jeho hlavní poloměr měří 2,96 m, vnitřní pak 1,25 m, vakuová komora ve tvaru blížícím se tvaru písmene D je 2,5 m široká a 4,2 m vysoká. Celkový objem plazmatu dosahuje 100 m3. V roce 1982, tedy rok před spuštěním britského tokamaku, se německému fyzikovi Fritzi Wagnerovi a jeho kolegům podařilo do značné míry vyřešit problém ztrát. Takto objevený „H-mód“ plazmatu umožnil výrazně zvýšit výkony stávajících zařízení, včetně již budovaného JET. Zvláště, když se podařilo zjistit, jak se plazma do tohoto stavu dostane a jak ho dosáhnout.
Malý předkrok
Náhle znovu svitla naděje, že bude možné postavit zařízení, které by opravdu mohlo vyrábět více energie, než kolik spotřebuje. Něčeho takového však JET dosáhnout nemohl. Jednoduše není dost veliký — a velikost je u tokamaků klíčová. Ve větší komoře se částice paliva, tedy vodíku, mohou déle „zdržet“, a mají tedy více času najít si partnera pro proměnu na helium. V menším zařízení uteče příliš mnoho atomů paliva z plazmatu ven. Doplňovaný vodík se pak musí ohřívat, což stojí spoustu energie, a v důsledku je pak spotřeba zařízení vyšší, než kolik se jí uvolní z fúze. Prakticky ještě v době, kdy byl JET stavěn a uváděn do provozu, už v hlavách fyziků vznikal projekt velkého mezinárodního reaktoru, který nakonec dostal název ITER. Ten měl být prvním zařízením, v jehož komoře by fúzí mělo vznikat podstatně více energie, než kolik je zapotřebí na její udržení. Poměr se sice trochu měnil se změnami projektu (zmenšoval se kvůli rozpočtu), dnes se ale počítá, že na každou jednotku energie použitou pro ohřátí plazmatu v zařízení připadne 10 jednotek energie uvolněné ze spojování jader. Aby však ITER mohl být energeticky ziskovým, musel být zároveň také největším a nejdražším fúzním reaktorem, jaký byl kdy postaven. Na zařízení, jeho cena zřejmě přesáhne 20 miliard eur, se nakonec složilo několik desítek zemí světa, včetně České republiky. JET ovšem s podpisem příslušné mezinárodní dohody a začátkem stavby v Cadarache na jihu Francie v roce 2007 neputoval do starého železa. Jeho existence získala nový smysl. V Británii stojící „Společný evropský torus“ slouží především jako zkušební zařízení, na kterém se mají ověřovat postupy a techniky navržené pro ITER. Tokamak kvůli tomu v roce 2011 prošel důležitou rekonstrukcí. Cílem bylo, aby se JET co nejvíce podobal ITERu. Změn bylo vícero: kupříkladu původní komora pro plazma (tzv. fúzní komora) byla z uhlíku. Uhlíková stěna má řadu příznivých vlastností, problémem ale je, že ji poškozují neutrony vylétající z plazmatu a v uhlíkové vrstvě vzniká i radioaktivita. Atomy uvolňované z uhlíkové stěny navíc znečišťují plazma a zhoršují tím jeho výkony. Komora JETu proto v rámci modernizace dostala nové stěny z berylia a wolframu, tedy ze stejného materiálu, jakým disponuje ITER. Berylium je vzácný a lehký stříbřitý kov, jenž se používá jen v některých specifických oblastech, třeba v jaderném průmyslu. Zatímco wolfram je těžko opracovatelný kov s teplotou tání 3 400 °C. V JET se používá především na tzv. divertory, které najdete ve spodní části fúzní komory. Jde v podstatě o „výfuk“. Magnetická past v tokamacích není a nikdy nebude dokonalá a částice, které z ní uniknou, se musí z vakuové komory tokamaku odvádět. K tomu právě slouží divertor, který je tak zjevně ohromně tepelně namáhanou součástí tokamaku. Předpokládá se, že u elektráren budou materiály divertoru muset dlouhodobě snášet tepelnou zátěž podobnou té, které by čelily na povrchu Slunce. Na to zřejmě nebude stačit ani wolfram, proto se dnes vyvíjejí nové metody, jak problém vyřešit. Některé se budou zkoušet i na připravovaném českém tokamaku COMPASS-U. Z hlediska přípravy na provoz ITERu je také extrémně důležité použité palivo. JET je jediný tokamak současnosti, který prošel administrativně i technicky složitým schvalovacím procesem na využití radioaktivní formy vodíku (tedy správně izotopu) — tritia. Tato nejtěžší forma vodíku (má v jádře dva neutrony) je vzácná a obtížně se s ní zachází, ovšem pro jadernou fúzi má velmi zajímavé vlastnosti. Lze ho totiž ve stávajících fúzních zařízení „zapálit“ snáze než cokoliv jiného. Tritium by tedy (spolu s jinou formou vodíku, deuteriem) mělo představovat palivo minimálně pro první generaci fúzních elektráren. Náročné přípravy, které trvaly nakonec i kvůli pandemii déle, než se čekalo, nakonec vyústily v sérii experimentů během šesti měsíců roku 2021. Její výsledky jsme se my, jako veřejnost, dozvěděli na tiskové konferenci 9. února 2022. Vyplývá z nich celkem jednoznačně, že současný výzkum je na správné cestě a ITER by měl splnit to, co se od něj očekává. Cesta k využití „energie hvězd“ se zdá být náhle mnohem jistější a přímočařejší.
Aktuální dění
Během zmíněné šestiměsíční „kampaně“, jak se podobným sériím pokusů s podobnými parametry říká, vědci na JETu uskutečnili celou řadu „výstřelů“ s do té doby nevídanými výkony. Výkon plazmatu obvykle překračoval 10 MW. V několika případech se dokonce průměrný výkon přiblížil téměř 12 MW. Z plazmatu se totiž během pěti sekund uvolnilo v součtu zhruba 59 MW energie. Pravda, v minulosti se na JETu podařilo dosáhnout i vyššího maximálního výkonu (16 MW), ale v tomto případě je mnohem důležitější trvání než maximální výkon. Zmíněných pět sekund je z hlediska fyziky plazmatu skutečně velmi dlouhá doba. Dalo by se dokonce říci, že až nečekaně blízká nekonečnu. Pokud se totiž podaří plazma udržet v komoře takto „dlouho“, v principu není, zjednodušeně řečeno, problém udržet ho třeba pět hodin. Tedy pokud bude fungovat magnetická past, jež rozžhavené plazma drží. „Klíčové je, že plazma už bylo stabilní, bylo v takzvaném stacionárním stavu,“ okomentoval pro novináře výsledky Radomír Pánek, ředitel pražského Ústavu fyziky plazmatu. JET však používá magnety z chlazené mědi, které nejsou supravodivé. za provozu v nich vzniká mnoho tepla. Je ho tolik, že chladicí systémy si s ním (alespoň při dané úrovni výkonu) neporadí déle než 5 s. Mimochodem, podle některých kritiků ani ITER nevyužívá technologie supravodivých magnetů tak dobře, jak je již dnes možné. Magnety ze supravodivých slitin nové generace jsou základem technologie start-upu CFS, který chce ITER troufale předběhnout svým vlastním tokamakem a návazně i rychlou výstavbou fúzní elektrárny. Systémy ITERu by přesto měly být schopné uchladit a udržet magnety v chodu výrazně delší dobu, než je tomu v případě JETu. Konkrétně se počítá, že při maximální výkonu 500 MW by měl ITER být schopen udržet plazma déle než pět minut (300 s). V tomto režimu by právě plazma mělo vydávat 10× více energie, než kolik se do něj dodává. Při sníženém výkonu 300 MW by měl ITER plazma udržet stabilní kolem hodiny. V tom případě ale bude „energetická návratnost“ ohřevu nižší, pouze 5 : 1. Návratnost je v uvozovkách proto, že z ITERu žádná elektřina využívána nebude. Jde pořád jen o fyzikální experiment. Skutečná elektrárna bude muset mít poměr návratnosti ještě výrazně vyšší, určitě někde nad 20 : 1, aby se ekonomicky vyplatila.
Naštěstí bez překvapení
Dodejme také, že ITER by měl těchto výkonů dosáhnout až několik let po svém plánovaném zprovoznění v roce 2025. Dnes se počítá, že plného výkonu by měl dosáhnout o 10 let později. Výsledky z JETu však dávají jistou naději, že by to mohlo být i dříve. A to proto, že jsou vlastně „nudné“. Nijak se totiž neodchýlily od očekávání. Dosud však nebylo zcela vyloučeno, že po zapálení paliva a „rozhoření“ fúze ve větším měřítku se podmínky v plazmatu trochu nezhorší. Jak jsme totiž psali, běžné tokamaky nepracují s tritiem a směs ve fúzní komoře vlastně „nezapálí“ (tedy fúze při běžných experimentech probíhá v zanedbatelném měřítku). Vědci měli jisté obavy, zda v plazmatu kvůli vzniku fúzních částic (konkrétně alfa částic) nezačnou vznikat nějaké anomálie, které by narušily stabilitu plazmatu. Naštěstí se tyto obavy nepotvrdily. Zdá se tedy, že dnešní modely chování plazmatu jsou dostatečně dobré a přesné, aby dopředu předpověděly jeho chování i v ITERu. Možná tedy půjde harmonogram experimentů urychlit. Vzhledem k tomu, jak důležitý tento reaktor pro celý obor je, je to skvělá zpráva. Fúzní výzkum nepotřebuje překvapení, potřebujete jistotu a předvídatelnost. Pak by už mohl konečně dojít k cíli, ke kterému už zhruba 70 let zbývá „maximálně 20 let“, jak říká vousatý vtip. /jj/
