Technologie termojaderné fúze se po desetiletích pomalého, z pohledu veřejnosti snad až plíživého pokroku v posledních letech blíží hranici praktické použitelnosti. Ve hře ovšem není jen tokamak, ale i stelarátor LHD.
Pořád ještě nemáme nezvratný a hmatatelný důkaz v podobě opravdu fungujícího reaktoru, máme už ovšem dost dílčích výsledků a indicií, že děje probíhající v nitru hvězd do jisté míry dokážeme (do určité míry, ne úplně přesně) napodobit i na Zemi. Případné pozemské termojaderné reaktory budou pracovat trochu jinak, než jak probíhají reakce v nitrech hvězd, princip je ovšem stejný.
Proto i soukromé investice do vytvoření „umělé hvězdy“, tedy termojaderné fúze, v posledních letech dosahují historických maxim (samozřejmě, když byly peníze levnější, třeba v roce 2021, tak se investovalo snáz…). Nové prostředky plynou do projektů někdy konzervativních, někdy velmi odvážných.
Do druhé kategorie patří i japonský startup Tao Technologies, který pracuje na jiné metodě termojaderné fúze. Místo využití dvou izotopů vodíku (deuteria a tritia) chce vyvíjet metodu slučování protonů, tedy těžkých, kladně nabitých částic a jader boru.
Čistá varianta
Bor je lehký prvek s 10 nebo 11 částicemi v jádře, pro fúzi se více hodí druhá zmíněná „varianta“. Při fúzi tohoto izotopu s protonem vzniknou tři jádra běžného helia (helium 4, tedy nejběžnější varianta tohoto prvku) a uvolní se větší množství energie, přesně 8,7 MeV. Na pohled si možná všimnete, že reakce je podivuhodně „čistá“: vznikají při ní jenom atomy relativně běžného a neškodného prvku a nevznikají neutrony s vysokými energiemi, tedy částice, které je těžké zastavit a jež mají doslova ničivý účinek na materiál reaktoru (tedy především jeho stěny). Neutronové bombardování stěny postupně narušuje tím, že vyráží atomy z krystalické mřížky. Mimo jiné také dochází k tomu, že se materiál stěn stává radioaktivním. Ve výkonném reaktoru je míra „opotřebení“ taková, že dnes není jasné, které materiály by ji měly vydržet.
Neutronovým problémem trpí běžně zkoušená a zvažovaná reakce dvou izotopů vodíku, které chce provádět například mezinárodní reaktor ITER. Má to svůj jasný důvod: tento předstupeň k prototypům fúzních elektráren chce vyzkoušet tu technicky nejsnáze dosažitelnou metodu k dosažení fúze na Zemi.
Bohužel tato technicky nejprostší metoda má celou řadu praktických potíží. Tritium, tedy onen pro ni nezbytný izotop, je nejen vzácné, ale také radioaktivní. A tak je ITER z úředního hlediska považován za jaderné zařízení. Tato kvalifikace práci na obřím výzkumném projektu rozhodně nezjednodušuje, ba naopak komplikuje i jinak relativně banální úkony. A to ještě nemluvíme o případném provozu zatím opravdu pouze hypotetické fúzní elektrárny.
Nikde ovšem není psáno, že musíme ve fúzních reaktorech slučovat právě tritium a vodík. Za vhodných okolností se dá spojit mnohé, třeba právě bor s protony, jak to zkoušejí Tao Technologies.
Vyšší teplota
I když tato metoda nepochybně může zjednodušit debaty s jaderným dozorem, má celou řadu jiných nevýhod. V první řadě může fúze boru a protonu proběhnout s dostatečnou pravděpodobností pouze při extrémně vysokých teplotách. Vyžaduje zhruba 30× vyšší teploty než fúze deuteria a tritia. Jestli má mít plazma v ITER teplotu přes sto milionů kelvinů, tak bor/protonová fúze vyžaduje teploty o řád vyšší, tedy miliardy kelvinů.
Ohřát plyn na stovky milionů stupňů není jednoduché, ale odborníci už vědí, jak toho dosáhnout, alespoň tedy v případě té extrémně řídké matérie, která se skrývá v nitrech fúzních zařízení. Ovšem miliardy kelvinů, to je pro inženýry přece jen nový problém.
Jak poznamenávají mnozí pozorovatelé, nepůjde to bez velkých ztrát, a tedy „plýtvání“ energií. Aby se takové zařízení vůbec vyplatilo stavět, musí vyrobit o to více energie. To nebude úplně jednoduché ani proto, že bor a protony se neslučují ani při těchto vysokých teplotách tak ochotně jako třeba deuterium s tritiem.
Řešením by bylo udržet částice delší dobu v nějaké „pasti“, tedy ve vhodných podmínkách, kde může fúze trvale probíhat. To je do jisté míry předmětem výzkumu Tao Technologies, kde experimentovali s tím, jak spojovat bor a protony právě v takové magnetické „pasti“. Jejich práce vydaná v časopise Nature Communications je vůbec prvním popisem experimentů s tímto typem fúze v plazmatu. Dosud se vždy bor dával do nějakého pevného terče, který se například ostřeloval laserem, aby v něm vznikly dostatečně extrémní podmínky pro fúzi.
V daném případě nešlo o to, rozběhnout spojování jader opravdu ve velkém. Cílem bylo hlavně ověřit, že vůbec takový proces může fungovat. Úspěch tedy je už to, že vůbec k fúzi docházelo: že se podařilo zachytit nějaké částice, které nepochybně vznikly při srážení protonů a boru (konkrétně tedy alfa částice čili jádra helia, protože celé atomy helia se v takových podmínkách pohromadě neudrží a elektrony z nich odlétnou).
Už to, jak nízké cíle si pokus kladl, jen ukazuje, že výzkum téhle větve jaderné fúze je opravdu na začátku. Jaderná fúze je možná vždy vzdálena 20 let, tento konkrétní typ ale ještě o pár desetiletí navíc.
Pohled do nitra topograficky složité komory stelarátoru Wendelstein 7-X během stavby © Gwurden / CC BY-SA 3.0
Zamotané řešení
Celý experiment se odehrál v technicky velmi zajímavém zařízení, japonském stelarátoru LHD. Na pohled vypadá jako něco, co navrhl fyzik na větší než zdravé dávce LSD: jde o zdánlivě nesmyslně pokroucenou trubku nepochopitelného tvaru a také účelu.
Ve skutečnosti jde o velmi pečlivě navržené zařízení. Podobně jako mnohem známější tokamak je i stelarátor magnetická nádoba, ve které je možné držet extrémně horké plazma bez poškození stěn.
Rozdíl je „jen“ v tom, že tokamaky si ještě pomáhají proudem protékajícím samotným plazmatem, zatímco stelarátory spoléhají pouze na magnetické pole vytvářené cívkami kolem komory s plazmatem. Tento indukovaný proud udržení ve skutečnosti velmi výrazně zjednodušuje, protože přidává do rovnice další magnetické pole. Dohromady tak vzniká pole žádoucího tvaru, které vede plazma z oblasti slabého do oblasti silného pole a opačně. V podstatě jde o dobrý způsob, jak kompenzovat nerovnoměrnosti v magnetickém poli, které jinak v důsledku vedou k úniku plazmatu.
Stelarátor má jednodušší magnetické pole, ale o to složitější musí mít tvar. Komora i magnety kolem ní musí mít v různých místech určitý tvar a průřez tak, aby vzniklé magnetické pole mělo přesně ty správné vlastnosti pro udržení plazmatu. Z konstrukčního hlediska je to extrémně přesné zařízení s nulovou možností pozdějších úprav — když ho jednou postavíte, je minimálně šance na nějaké větší úpravy.
Má ovšem proti tokamaku jednu velkou výhodu: teoreticky může běžet prakticky bez přestávek.
Tokamaky jsou právě kvůli tomu, že využívají indukované pole, z povahy pulzní zařízení. Aby se mohl indukovat proud v plazmatu, je neustále nutné „přitápět pod kotlem“ — a to nejde donekonečna.
V jednu chvíli se tedy musí zařízení vypnout a začít znovu.
Stelarátor dává nutné vlastnosti magnetickému poli jen svým tvarem, takže by alespoň na papíře měl být schopen pracovat neustále.
Byť je myšlenka stelarátorů desetiletí stará, v praxi se muselo s jejich realizací počkat, až budou počítače dost výkonné a matematické metody simulace magnetických polí dost přesné na to, aby takové zařízení vůbec bylo možné navrhnout.
Stelarátorů je tak na světě jako šafránu. Odborníci Fyzikálního ústavu Maxe Plancka jich napočítali po celém světě pouze 13. Populárnějších tokamaků jsou dnes po světě stovky všech možných velikostí a další, včetně zmiňovaného rekordního ITER, se v současnosti staví.
Byť jsme tedy možná na prahu dalšího ze zajímavých objevů a vědeckých prací, tak kvůli složitosti boron-protonové fúze i malé zkušenosti se stelarátory „hvězdu na Zem“ nové výsledky přinést nedokážou.
| CO ČEKAT OD FŮZE |
| Termojaderná fúze se z exotického fyzikálního jevu pomalu stává předmětem zájmu možných investorů. Sliby většiny společností v oboru se na pohled zdají extrémně optimistické a přehnané, ale to samozřejmě nikomu nebrání, aby do těchto společností vkládal své peníze. Vývoj v oboru je tak i předmětem zájmu obchodních analytiků. A tak třeba i poradenská společnost McKinsey na sklonku minulého roku vydala zprávu o stavu firem zabývajících se termojadernou fúzí. Autoři mimo jiné v textu uvádějí, které milníky podle nich mohou být signálem, že vývoj je na správné cestě. Které to tedy podle nich jsou? První milník je celkem jasný: fyzici a inženýři musejí jasně prokázat, že jejich reakce mohou být „plusové“ — tedy, že produkují více energie, než je k jejich spuštění zapotřebí. Odborníci by měli předvést, že mohou plazma ohřát a udržovat ohřáté na teploty v pásmu na 50 milionů stupňů a při tom v něm produkovat více energie z fúze, než kolik spotřebují na vytvoření podmínek, aby se vůbec fúze mohla uskutečnit (či přesněji uskutečnit s dostatečně vysokou pravděpodobností). Je zapotřebí ukázat, že energetické zisky jsou dost vysoké na to, aby bylo vůbec možné uvažovat o praktickém využití tohoto zdroje energie. Do roku 2025 plánují přední soukromí aktéři v oblasti jaderné syntézy předvést klíčové subsystémy. Patří mezi ně výkonné vysokoteplotní supravodivé magnety (Commonwealth Fusion Systems), plazmové injektory (jako je injektor P13 společnosti General Fusion), systémy radiofrekvenčního ohřevu a nové materiály pro stěny komor fúzních zařízení, které by měly snášet extrémní podmínky uvnitř fúzního stroje. Pokud by se skutečně podařilo úspěšně předvést požadovanou úroveň výkonů a vlastností komponentů do roku 2025, do konce desetiletí by mohly fungovat funkční prototypy zařízení. Analytici z McKinsey by do roku 2026 rádi viděli alespoň jeden subjekt, který integruje všechny hlavní subsystémy do funkčního prototypu, na kterém bude možné ověřovat výkony na úrovni celého systému. Takový prototyp by také poprvé umožnil provést odhad nákladů na výrobu a montáž dílů fúzního zařízení třídy 4 (úroveň studie proveditelnosti). Jednalo by se o první model ekonomiky fúzní elektrárny, který by skutečně vzbuzoval důvěru. |