Plných 1 066 s, tedy téměř 18 minut, se nově podařilo čínským vědcům udržet ve stabilitě extrémně horké plazma, základ budoucí fúzní energie. Nejde jen o číslo, ale o další důkaz, že se k využití jaderné fúze, „svatému grálu“ čisté energie, opravdu blížíme. Čína přitom nezpomaluje. Její vědci a inženýři se derou do čela tohoto výzkumu a jejich úspěchy mohou brzy změnit pravidla hry.
Začátkem roku 2025 se čínskému tokamaku EAST podařilo něco, co fyzici po celém světě sledují s napětím — překonal svůj vlastní světový rekord a udržel fúzní plazma v chodu déle než tisíc sekund.
Rekord, který posouvá hranice
K rekordnímu okamžiku došlo 20. ledna 2025 na tokamaku EAST (experimental advanced superconducting tokamak), který provozuje Ústav fyziky plazmatu Čínské akademie věd (ASIPP) ve městě Che-fej. Tentokrát se plazma udrželo v takzvaném H-módu, tedy v režimu vysoké stability, po dobu 1 066 s. To je obrovský skok oproti předchozímu rekordu EASTu z roku 2021, kdy dosáhl 403 s, a překonává i 390 s, kterých dosáhl v roce 2003 francouzský tokamak TORE Supra.
Teplota elektronů v plazmatu při těchto experimentech dosahovala přes 100 milionů °C — podmínky, které jsou klíčové pro fúzi deuteria a tritia, základních stavebních kamenů fúzní reakce.
Tokamak EAST není obří monstrum jako mezinárodní projekt ITER, ale spíš „střední váha“ mezi fúzními zařízeními. Jeho hlavní poloměr měří 1,85 m, vedlejší 0,45 m, proud v plazmatu dosahuje milionu amperů (A) a magnetické indukce 3,5 tesly (T). Jeho kouzlo tkví v supravodivých magnetech, které udržují plazma pod kontrolou, a v konfiguraci magnetických polí, jež je podobná tomu, co se chystá u ITERu. Zkušenosti z EASTu tak nejsou jen čínským triumfem — mohou pomoci i celosvětovému úsilí o fúzní energii.
Jak udržet plazma pod kontrolou
Pro ocenění významu rekordu je dobré vrátit se o pár desítek let do minulosti. Když v 50. letech britští vědci (a nebyli úplně sami) veřejnosti tvrdili, že využití fúze k výrobě energie by nemuselo být příliš vzdálené, byli jednoduše příliš „naivní“.
Fyziku plazmatu — protože fúze probíhá za tak extrémních podmínek, že hmota v jiném skupenství být nemůže — považovali za jednodušší, než ve skutečnosti je. Všem, kdo odešli za školy již dávno, připomínáme, že plazma je skupenství, ve kterém se elektrony kvůli vysoké energii neudrží kolem atomových jader, a výsledkem je tedy směs záporných a kladných částic.
Původně se předpokládalo, že bude stačit jednoduchá magnetická klec, ve kterém plazma zůstane pevně uvězněno. Představa byla taková, že plazma bude stačit pouze „přihřívat“, až bude tak horké, že v něm začne vznikat více energie, než se do něj vkládá.
Ale optimismus vědců opadl tváří v tvář experimentálním výsledkům z prvních větších fúzních reaktorů. Zůstaly po něm jen kritiky snahy o ovládnutí fúze často vysmívané sliby o tom, že „zvládnutí energie hvězd je otázkou příštích několika desítek let“.
Ukázalo se totiž, že snahy o ohřívání plazmatu vedou k jedinému — vyšším ztrátám. Přesněji k vyšší intenzitě turbulencí v plazmatu a tím k rychlejšímu úniku energie z něj. Čím více se pod tokamaky přikládalo, tím rychleji se z nich energie ztrácela.
Plazma mělo ztrácet energii pouze díky srážkám jednotlivých částic a jejich postupné difuzi (posunem) napříč magnetickým polem směrem k okraji plazmatu. Skutečnost byla podstatně nepříznivější: čím více se plazma zahřívalo, tím rychleji z něj energie unikala. Objevila se tzv. „anomální difuze“, se kterou si fyzika nevěděla rady. Odborná komunita tehdy údajně z velké části ztratila naději, že se podaří někdy zvládnutí fúze pro výrobu energie využít.
Obor byl roky téměř paralyzován, optimismus zcela opadl. Na začátku 80. let se ovšem začala rýsovat naděje, když se v podstatě náhodou podařilo objevit způsob, jak problém vyřešit. A to vlastně jen změnou podoby magnetických polí, které ho drží. Nový způsob udržení plazmatu dostal název H-mód — a přesně na ten se EAST zaměřuje.
Autoři objevu byli údajně doslova zaskočení a nevěděli, jestli se jedná o nějakou výjimečnou událost, nebo zda zvládnou stav ještě někdy napodobit (a samozřejmě ani jak). Na první konferenci, kde výsledek představili, jejich kolegové dávali najevo značnou dávku skepticismu. Ale nedůvěru brzy vystřídalo nadšení.
Objev obor probral z mrtvých. H-mód (high confinement mode čili „mód s vysokým udržením“) umožnil výrazně zvýšit výkony stávajících zařízení. Když vědci novinku zahrnuli do svých výpočtu a projekcí, zdála se náhle (alespoň na papíře) možnost postavení zařízení, které by opravdu mohlo vyrábět více energie, než spotřebuje, reálná.
I když H-mód fyzika stále nedokáže plně vysvětlit, postupně se podařilo zjistit, jak se plazma do tohoto stavu dostane a jak ho dosáhnout. Už víme, že příčinou vzniku bylo samovolné roztočení plazmatu poblíž okrajů, které potlačilo okrajové turbulence, jimiž velké množství energie z plazmatu uniká.
Představte si to jako rozdíl mezi vroucí vodou v hrnci, která se rozlévá všude kolem, a pečlivě kontrolovaným plamenem, který energii soustředí tam, kam má. H-mód je ten druhý případ — plazma je stabilnější, lépe oddělené od stěn tokamaku a méně náchylné k turbulencím.
K dosažení módu výrazně pomáhají faktory jako tvar tokamaku. EAST je přitom navržen tak, aby přechod do nové konfigurace proběhl co nejefektivněji a nejdříve. Klíčovou roli hraje tvar vakuové komory a takzvaný divertor — speciální část v dolní části tokamaku, která magnetickým polem odvádí z plazmatu nečistoty. Roli hraje i výběr materiálů pro stěny komory.
Přitápění
Zdaleka ne všechny problémy kolem H-módu jsou ovšem vyřešeny. Jedním z nich je například ohřev. Když teplota plazmatu stoupá, ohmický ohřev, tedy přímé ohřívání plazmatu elektrickým proudem, přestává být účinné. Vodivost plazmatu totiž roste a proud se „zapotácí“.
Vědci tedy sahají po jiných tricích, například vstřikování svazků neutrálních atomů. Tyto atomy pronikají do plazmatu, srážejí se s částicemi uvnitř a předávají jim svou energii — něco jako kulečníkové koule, které se odrážejí a předávají rychlost. Aby to fungovalo, atomy musí být neutrální — nabité ionty by magnetická pole odklonila dřív, než by se dostaly dovnitř. Proces je tedy složitý: ionty se nejdřív urychlí elektrickým polem a pak se před vstupem do plazmatu neutralizují.
V případě EAST se používá ovšem především mikrovlnný ohřev. Právě na jeho vylepšení se na EAST v poslední době pracovalo. A díky zdvojnásobní výkonu ohřevu a také zlepšení schopnosti udržení stability plazmatu se podařilo dosáhnout poprvé udržení plazmatu v H-módu po dobu více než 1 000 s.
Čína jede na plný plyn
EAST není jediným čínským fúzním projektem. V Čcheng-tu běží tokamak HL-2M, modernizovaná verze staršího HL-2A. Ten nemá supravodivé magnety, ale s hlavním poloměrem 1,78 m, proudem 3 miliony A a indukcí 2,2 T je pořád impozantní.
Další zařízení, J-TEXT, provozuje Huazhong University of Science and Technology — ten je menší, s hlavním poloměrem 1,05 m a proudem 0,2 milionu A.
Čína ale míří ještě výš. V roce 2027 plánuje v Che-fej spustit tokamak BEST, zaměřený na fúzi deuteria a tritia s výkonem 130 MW. Nabízí k němu i mezinárodní spolupráci. A pak je tu CFETR (China fusion engineering test reactor), budoucí „inženýrský most“ mezi ITERem a plnohodnotnou fúzní elektrárnou. S hlavním poloměrem 7,2 m, indukcí 6,5 T a proudem 14 milionů A by měl od 30. let generovat až 1 GW fúzní energie. Hlavním úkolem CFETR ale bude otestovat materiály odolné extrémnímu teplu a radiaci a vyvinout „blanket“ — technologii, která přemění energii fúze na teplo a vyrobí tritium pro další palivo.
Čína je také klíčovým hráčem v projektu ITER, kde má 9% podíl. Tento mezinárodní tokamak s hlavním poloměrem 6,2 m a plánovaným výkonem 500 MW však čelí zpožděním. Pandemie, technické potíže a změny v plánech posunuly první plazma z roku 2025 až na 2034—2035, experimenty s tritiem pak na rok 2039. Čína mezitím jede naplno a někteří věří, že by mohla ITER předběhnout.
Vedení mezinárodního projektu si je zpoždění vědomo a aspoň částečně ho chce dohnat. Výsledný stroj bude o něco „modernější“, než říkaly původní plány, a rychleji by měl začít poskytovat relevantní výsledky.
Modernizace se bude týkat samotné vakuové komory. Její vnitřek nebude z beryllia, vzácného a tvrdého kovu, ale z wolframu — kovu podobně vzácného, ale ještě tvrdšího a odolnějšího. Od té doby, co byl ITER navržen, se totiž ukázalo, že wolfram je pro fúzní reaktory vhodnější materiál, i přes některé své nevýhody. V tomto případě tak zpoždění projektu de facto prospělo. S wolframovou stěnou počítají i projekty navrhovaných fúzních elektráren, ITER tedy půjde s dobou.
Další změna je v harmonogramu. ITER by měl začít fungovat až v roce 2034, tedy o devět let později, než stanovil předchozí oficiální harmonogram (který už několik let byl zjevně neaktuální). Nově je ale v plánu zkrátit úvodní fázi opatrného „rozjezdu“ a co nejrychleji přejít ke skutečnému výzkumu, uvedl šéf ITERu Pietro Barabaschi na tiskové konferenci při představení výsledků. Klíčové experimenty by se tak měly rozjet v roce 2036, což je proti staršímu plánu zpoždění jen o tři roky.
Ale ani to není pochopitelně jasné. A uvidíme, zda například nepředvídatelná administrativa Donalda Trumpa ještě nezahýbe s projektem a USA z něj například (znovu) nevystoupí.
V takovém situaci se nepochybně otevře cesta Číně, která má jasný cíl: být první, kdo postaví funkční fúzní elektrárnu. Kombinuje obrovské investice, domácí talent a mezinárodní spolupráci. Pokud projekt ITER bude ztrácet tempo, Čína je připravená převzít vedení. A co dál? Testuje materiály pro fúzní reaktory, staví neutronové zdroje a zvažuje hybridní systémy, které by spojily fúzi a štěpení — třeba k likvidaci jaderného odpadu. Ať už zvítězí čistá fúze, nebo hybridní technologie, Čína chce být připravená na obojí.