Radomír Pánek, ředitel pražského Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR, se stal na začátku roku 2020 jedním ze tří nejvyšších představitelů společného evropského podniku Fusion for Energy (F4E). Organizace, o které jste nejspíše nikdy neslyšeli, realizuje evropskou část největšího mezinárodního experimentu dnešní doby: termonukleárního reaktoru ITER. Vzniká v jižní Francii s rozpočtem přibližně 20 miliard eur a měl by poprvé jasně ukázat, že lidstvo může k pokrytí spotřeby energie používat stejný proces jako hvězdy, tedy jadernou fúzi, která má představovat velmi čistý a stěží vyčerpatelný zdroj energie.
Na začátek připomeňme, co je vlastně ITER?
Jedná se o největší mezinárodní vědecký experiment, který spočívá ve vybudování zařízení zvaného tokamak pro výzkum termonukleární fúze jako zdroje energie. Takový zdroj by byl bezemisní, bezpečný a využívající téměř nevyčerpatelné palivo.
ITER se staví na jihu Francie a podílí se na něm celý rozvinutý svět: EU, Japonsko, USA, Korea, Rusko, Čína a Indie. Je to vrchol více než sedmdesátiletého úsilí o vývoj fúzního zdroje.
Samotný název tokamak pochází z ruské zkratky [тороидальная камера с магнитными катушками, tedy toroidní komora v magnetických cívkách – pozn. red.]. Jde v podstatě o velkou vakuovou komoru ve tvaru pneumatiky, ve které magnetické pole dokáže udržet v prostoru levitující extrémně horké plazma tak, aby se nedotýkalo stěn.
Cílem ITERu je ukázat, že je možné dosáhnout vysokého energetického zisku, tedy získat z jaderné fúze více energie, než je nutné k jejímu spuštění a udržení. Velmi, velmi zjednodušeně jde o velkou magnetickou komoru, ve které bude za teplot desetkrát vyšších, než je v centru Slunce, docházet v plazmatu ke slučování atomárních jader a uvolňování velkého množství energie.
O kolik více?
Hlavním cílem ITERu je demonstrovat alespoň desetinásobný energetický zisk, měl by tedy vyrábět zhruba desetkrát více energie, než kolik bude zapotřebí k udržení horkého plazmatu. Některé nové výsledky naznačují, že by poměr mohl být i vyšší, ale to jsou jen odhady.
Dalším cílem projektu ITER je prokázat, že získávání energie z fúze je technicky možné. Což znamená otestovat všechny potřebné technologie a systémy společně. Například způsob, jak z lithia v reaktoru vyrábět izotop vodíku tritium, které bude sloužit jako palivo pro fúzní reakci, nebo to, jak extrahovat energii z plazmatu, a další aspekty.
Do jaké míry jsou si plazmoví fyzici jistí, že zařízení bude fungovat podle plánu?
Absolutní jistotu samozřejmě nemáme, nicméně máme údaje z řady menších podobných zařízení ve světě, jedno ostatně stojí i u nás v ústavu, a ty jasně ukazují, že bychom měli dosáhnout očekávaných cílů.
Je to ovšem založené na extrapolacích do oblastí, se kterými nemáme žádné přímé zkušenosti, že?
To ano, proto se pořád jedná o výzkum. Zatím však nic nedává důvod, proč extrapolacím nevěřit. ITER ovšem bude úplně nové zařízení s unikátními parametry, to je jistě pravda. Nejen, že bude zdaleka největší, například bude mít i extrémně silné magnety na udržení plazmatu, silnější než naprostá většina dnes fungujících tokamaků.
Velikost je tedy klíčová?
Není to jediný důležitý parametr, ale k dosažení energeticky ziskové fúze je skutečně zapotřebí tokamak velkých rozměrů. Vakuová komora ITERu, ve které bude probíhat fúzní reakce, má tedy výšku zhruba 11 m a průměr necelých 20 m. V menších zařízeních není zatím možné z fyzikálních důvodů dosáhnout ziskové fúzní reakce. Dochází k ní, ale k udržení vhodných podmínek je zapotřebí více energie, než kolik se při slučování jader uvolňuje. Fúzní reaktor bude tedy v budoucnu sloužit jako lokální zdroj o velkém výkonu podobně jako dnešní velké elektrárny.
Spíše větší zařízení mají podle mého názoru i jiné výhody, třeba z hlediska životnosti materiálů.
Co přesně máte na mysli?
Energii vzniklou z fúzní reakce musíme odvést z komory ven, abychom ji mohli využít. Její významnou část ale nesou neutrony, které procházejí tzv. první stěnou reaktoru do reaktorové obálky, ve které jsou zachyceny, a předávají energii chladicímu médiu. Nicméně při průchodu těmito materiály nevyhnutelně zasahují jejich atomy, které se přesouvají, a materiál tím může měnit své vlastnosti. Stejný problém se objevuje i v dnešních jaderných elektrárnách, není to nic principiálně nového, ale toto zatížení v budoucích fúzních reaktorech bude výrazně vyšší. Během životnosti reaktoru budou zasažena jádra všech atomů v plášti komory několikrát.
Zjednodušeně řečeno to znamená, že za roky provozu se jádra všech atomů v plášti několikrát přesunou na jiné místo v atomové mřížce materiálu, chápu to správně?
V podstatě ano. Proto se vyvíjejí speciální, velmi odolné materiály, které tomuto namáhání odolají. Zmenšování reaktoru při zachování výkonu by znamenalo zvyšování hustoty toku energie a neutronů u stěny reaktoru, které by vedlo k přílišnému poškození materiálů a významně zkrátilo jejich životnost.
Zmínil jste magnety. ITER by měl mít magnety supravodivé a silnější než drtivá většina tokamaků před ním. Jak to ovlivní provoz?
Magnetické pole slouží k udržení, nebo můžeme říct izolaci horkého plazmatu uprostřed vakuové komory tokamaku tak, aby se nedotýkalo stěny. Již delší dobu víme, že s rostoucí hodnotou magnetického pole je izolace plazmatu účinnější. Magnety tokamaku ITER budou schopny generovat velmi silné magnetické pole o velikosti přes 5 T [tesla – jednotka magnetické indukce, odvozená jednotka SI, přičemž T = kg•s−2•A−1 – pozn. red.] uprostřed nádoby reaktoru. Supravodivý materiál je použit proto, aby bylo možné generovat toto pole po dobu stovek sekund bez energetických ztrát.
Ve světě existoval zatím pouze jeden tokamak schopný generovat podobné nebo vyšší magnetické pole s relevantní geometrií a jeho výsledky naznačují, že zvýšení magnetického pole na hodnoty kolem 5 T a výše by mohlo výrazně zlepšit kvalitu jeho udržení a tím jeho energetické ztráty. Plazma se velmi jednoduše řečeno najednou začne chovat poněkud jinak a omezí se v něm některé jeho nežádoucí projevy.
Je tedy lépe zvladatelné?
Ano, dalo by se to tak říct. Pro provoz ITERu i budoucího fúzního reaktoru předpokládáme, že plazma v reaktorové nádobě dokážeme izolovat pomocí magnetického pole v takzvaném režimu vysokého udržení. Ten se standardně využívá v dnešních tokamacích, ale má jednu nepříjemnou vlastnost. Objevují se nestability, takzvané doprovodné nestability, které se projevují jako periodické výtrysky horkého plazmatu směrem ke stěně vakuové nádoby. Pro dnešní zařízení to nepředstavuje zásadní problém, nicméně v případě ITERu a dalších budoucích reaktorů to nemůžeme tolerovat. Jejich plazma ponese více energie, tolik, že by výtrysky mohly výrazně snižovat životnost stěn komory, takzvané první stěny reaktoru. Úspěšně se vyvíjejí metody, jak tyto nestability potlačovat, ale výsledky naznačují, že při vysokých magnetických polích tento problém může zcela vymizet a plazma bude výrazně stabilnější. Je to ovšem třeba potvrdit na vícero zařízeních, která jsou schopna s takto vysokým magnetickým polem pracovat.
Na kterých zařízeních byly tyto experimenty, které jste zmínil, provedeny?
Jednalo se o tokamak Alcator C-mod na univerzitě MIT v USA, ale před několika lety byl jeho provoz z finančních důvodů bohužel ukončen. Tamní tým nyní pracuje na projektu nového tokamaku se supravodivými magnety a založil také firmu, která získala soukromý kapitál. V současné době však žádné experimentální zařízení v provozu nemají.
Myslíte tým Commonwealth Fusion Systems (CFS), který získal peníze od ropných těžařů?
Ano, to je ta soukromá firma, která je provázána s Plasma Science and Fusion Center na univerzitě MIT.
A co si o jejich projektu myslíte? [CFS slibuje velmi rychlou stavbu menšího a výkonného fúzního reaktoru s velmi silnými magnety vyrobenými z jiného, novějšího materiálu, než jaký bude použit u ITERu – pozn. red.]
Důvěryhodných informací o tomto projektu, který se nazývá SPARC, je bohužel málo. Já jsem Plasma Science and Fusion Center MIT v posledních dvou letech několikrát navštívil, protože máme podobné představy o tom, jakým směrem by měl fúzní výzkum dále směřovat, a zahájili jsme spolupráci na projektu našeho nového tokamaku v Praze. Diskutovali jsme i spolupráci na projektu SPARC, nicméně vzhledem k tomu, že jej má realizovat soukromá firma ze soukromých prostředků, předpokládám, že na rozdíl od standardní vědecké spolupráce se o informace nebudou příliš dělit.
Každopádně v současné době je jejich prvním úkolem vyvinout technologii pro výrobu magnetické cívky z vysokoteplotního supravodiče. Ten je pro budoucí fúzní reaktor potenciálně výhodný v tom, že pro dosažení supravodivého stavu postačuje chlazení kapalným dusíkem, který je mnohonásobně levnější než kapalné helium [tím bude chladit ITER, který nepoužívá vysokoteplotní supravodiče – pozn. red.].
Pokud uspějí v tomto kroku, začnou připravovat realizaci samotného tokamaku SPARC. Ten by měli vybudovat podle jejich plánů během několika málo příštích let. Vzhledem k velmi ambiciózním cílům tohoto projektu mi ale nepřipadne tento časový plán příliš realistický a domnívám se, že vybudování tohoto reaktoru i za předpokladu dostatku finančních prostředků zabere delší čas.
Zaznamenal jsem, že tato skupina také kritizovala „zastaralost“ konstrukce ITERu. Co si o tom myslíte? Konkrétně mu vyčítají, že používá starší generaci supravovidých materiálů.
Primárním cílem ITERu je prokázat, že fúzí lze produkovat energii, a to s maximálním využitím stávajících technologií.
ITER tedy nemá být příliš rizikový, ve smyslu, že bychom měli mít jistotu, že půjde postavit a bude fungovat?
Například v případě magnetických cívek bylo při dokončování základního návrhu ITERu někdy před 15 lety rozhodnuto, že bude využita technologie tzv. studených supravodičů využívající kapalné helium. Používala se už při výrobě jiných velkých magnetů například pro urychlovače. Přesto však vzhledem k velikosti těchto magnetů v ITERu není jejich vývoj a výroba vůbec triviální.
Vysokoteplotní supravodiče, jaké chce použít CFS, se nacházejí ve výrazně méně pokročilé fázi technologické vyzrálosti než tzv. studené supravodiče, a neúměrně by se tím zvyšovalo technologické riziko jejich možného selhání. ITER používá doslova stovky kilometrů supravodivých vodičů ve svých cívkách. Mezi výrobou kousku supravodiče v laboratoři a výrobou cívek o výšce 15 m tvořených stovkami kilometrů těchto vodičů, které budou namáhány extrémními elektromagnetickými silami, je obrovský rozdíl. Díky tomu je fúzní výzkum největší investor do vývoje supravodičů a produkuje technologie a poznatky, které mají potenciální využití v celé řadě dalších oborů.
ITER navíc musí být konzervativnější. Bude licencován jako jaderné zařízení. Musí proto splnit velmi přísné předpisy francouzských regulátorů, všechny využité technologie procházejí náročným ověřováním.
Proč je pro ITER zapotřebí povolení jaderného dozoru, když zjednodušeně řečeno nejde o jadernou elektrárnu? Žádný odborník si přece nedovede představit, že by ITER hrozil nějakou větší havárií. '
Ne, bezpečnost je právě jedna z výhod tohoto typu reaktoru. Nicméně jedna ze dvou složek paliva v ITERu bude tritium, což je radioaktivní izotop vodíku, na který je zapotřebí povolení. Dále při termonukleární reakci vznikají neutrony, které následně způsobují sekundární aktivaci reaktorové nádoby. ITER tedy musí být licencován podobně jako jaderná elektrárna, což má samozřejmě zásadní dopad na délku výstavby.
Kdy by měl být ITER hotový?
Zatím se stále počítá s tím, že zahájení provozu, tzv. „první plazma“, by mělo být v roce 2025.
Stavba nabrala v minulosti značné zpoždění, nebude se to opakovat?
Já věřím, že ne. Od doby, co se stal generálním ředitelem prof. Bernard Bigot [v roce 2015 – pozn. red.], se víceméně daří harmonogram dodržovat a stavba pokračuje podle plánu.
Bigotova role se obecně hodnotí jako zcela zásadní, souhlasíte s tím?
Rozhodně. Přesvědčit ho, aby se místo odchodu do zaslouženého důchodu ujal velmi náročného vedení tohoto projektu, nebylo jistě jednoduché, ale jeho pevná ruka a zkušenost jsou rozhodně znát.
Před ním byli dva generální ředitelé z Japonska, v jednom případě šlo o fyzika se zkušenostmi s velkými projekty; v čem byl problém?
To byla původní podmínka daná při vyjednávání o smlouvě o ITERu, které probíhalo na nejvyšší politické úrovni. Nechci zabíhat do detailů, ale v prvním případě skutečně asi hrál roli nedostatek zkušeností. V tom druhém pravděpodobně hrál roli mimo jiné i střet japonského stylu řízení s evropským, potažmo francouzským přístupem. V každém případě to nefungovalo optimálně. Na druhou stranu je nutné říct, že rozjezd a nastavení fungování takto složité organizace, na které se podílí celý rozvinutý svět a významná část financování je formou tzv. in-kind příspěvků [nepeněžitých – pozn. red.], nebyl vůbec jednoduchý. Každopádně příchod Bernarda Bigota do vedení ITER Organization přinesl významný obrat.
V současnosti tedy žádné velké problémy nenastávají?
Po vědeckotechnologické stránce v tuto chvíli nevíme o žádném principiálním problému, proč by ITER neměl fungovat. Organizačně technických problémů a výzev se samozřejmě řeší spousty, ale to je u takového projektu přirozené. V současné době se například snažíme zabránit zpoždění při dodávkách částí vakuové komory tokamaku, ve které bude jaderná fúze probíhat.
Nejde ale jen o technické komplikace, celý projekt má také dosti komplikovanou strukturu, protože účastnické země, které reprezentují celý rozvinutý svět, se na něm podílejí především tím, že zajišťují výrobu jednotlivých komponentů. Například díly pro zmíněnou vakuovou komoru se vyrábějí na třech místech světa, obrovské supravodivé magnety se produkují v několika dalších zemích a tak podobně.
Má to svůj logický důvod, aby potřebné know-how ke stavbě fúzních zařízení skutečně měli všichni partneři a jejich průmysl, ale v praxi je samozřejmě řízení takového projektu dosti komplikované. Není to ideální, ale je to dáno mezinárodním charakterem celého projektu a také politickými důvody.
Ovlivnila stavbu epidemie SARS-CoV-2?
Projevila se jak na místě stavby ve francouzském Cadarache, tak například i v řídicí organizaci Fusion for Energy, která sídlí v Barceloně. Nicméně management obou organizaci zvládl situaci velmi dobře a došlo pouze k omezení prací, nikoliv k jejich přerušení. Nejsložitější situace byla především u dodavatelů technologií z Itálie a ze Španělska, kteří ale již postupně nabíhají opět do standardního provozu. Přesný dopad na jednotlivé dodávky bude možné zjistit až později, nicméně neměl by být zatím nijak zásadní.
Co bude následovat po ITERu?
Souběžně s budováním projektu ITER probíhá u většiny z partnerů projektu příprava dalšího kroku, který se pracovně nazývá DEMO a bude již představovat prototyp komerčního reaktoru. Jeho realizace by měla začít kolem roku 2040, tedy krátce poté, co ITER prokáže, že řízená fúze může být technicky realizovatelná a dostatečně zisková.
Protože se bude jednat o zcela klíčovou technologii pro všechny světové velmoci, myslím si, že současná velmi vysoká úroveň mezinárodní spolupráce bude v tomto dalším kroku již výrazně omezena a započne něco podobného například tomu, jako byl závod o Měsíc.
Každý ze současných partnerů projektu se pokusí co nejrychleji tuto technologii dovyvinout do stadia reálného využití, čímž získají přístup k téměř nevyčerpatelnému zdroji energie. Na projektu tohoto dalšího kroku již kromě Evropy poměrně intenzivně pracují také Čína a Jižní Korea.
Jak si stojí podle vás evropský projekt?
Evropa na projektu DEMO poměrně úspěšně pracuje, a to v rámci konsorcia evropských laboratoří EUROfusion, jehož je i náš ústav součástí. Projekt se snažíme navrhnout tak, aby byl z technologického hlediska spíše konzervativní, tedy aby co nejvíce vycházel z již známých a ideálně ověřených technologií nebo technologií, které budou ověřeny na projektu ITER. Věříme, že to je nejlepší způsob, jak zavést tento slibný, bezpečný a téměř nevyčerpatelný zdroj energie do praxe.