Proč jsme stále 30 let od zvládnutí jaderné fúze? - 1. díl

Jaderná fúze je již dlouho považována za „svatý grál“ energetického výzkumu. Reprezentuje téměř nevyčerpatelný zdroj energie, který je ekologický, bezpečný a samostatně udržitelný. Od doby, kdy přišel anglický fyzik Arthur Eddington s teorií o možné existenci fúze, se stala předmětem zájmu mnoha vědců i spisovatelů science-fiction.

Fúze ve své podstatě funguje na jednoduchém principu. Vezmeme dva izotopy vodíku (nejlehčího prvku periodické tabulky) a drtivou silou je srazíme. Atomy překonají své přirozené odpudivé síly a spojí se. Výsledná reakce vyprodukuje obrovské množství energie.

Velký přínos však vyžaduje stejně velké investice. Již celá desetiletí lidstvo zápasí s problémem dodávání energie a udržením vodíkového paliva, které dosahuje teplot přes 80 miliónů stupňů Celsia. Ty nejúspěšnější experimenty dokázaly fúzí vytvořit rozpálené plazma s teplotou více než 200 miliónů stupňů Celsia a nejdéle se podařilo udržet termojadernou fúzi po dobu 102 vteřin (2016, čínský tokamak EAST). Oba milníky však byly dosaženy při odlišných pokusech a v jiných reaktorech.

Největší pokroky v této oblasti přicházejí hlavně z Německa, kde je umístěn výzkumný reaktor Wendelstein 7-x, který při úspěšném testu dosáhl teploty téměř 180 miliónů stupňů Fahrenheita. Podobně úspěšný výzkum probíhá i v Číně, kde se v reaktoru EAST podařilo udržet fúzní plazma po dobu 102 vteřin. Vzniklé plazma ale zdaleka nedosahovalo tak vysokých teplot, jako při pokusech v německém Wendelsteinu 7-x.

I přes zmíněné pokroky tvrdí vědci již několik desetiletí, že jsme stále 30 let vzdáleni od funkčního fúzního reaktoru.

S každou odpovědí přichází další otázky

Experimenty v reaktorech Wendelstein 7-x a EAST jsou označovány jako „průlomové“ a „vzrušující“. Z pohledu celé problematiky energetického využití fúze jde však jen o malé krůčky. Je jasné, že abychom dosáhli uspokojivých výsledků, budou potřeba ještě desítky podobných objevů.

„Nemyslím si, že jsme nyní v pozici, kdy víme co přesně udělat, abychom se posunuli přes pomyslný práh,“ říká Mark Herrmann, ředitel National Ignition Facility v Kalifornii, který je největším energetickým laserovým institutem na světě. „Neustále poznáváme, jaká úskalí má věda. Téměř pokaždé, když odstraníme nějaký problém, objeví se další, které se do té doby ukrývaly za ním. Stalo se to již téměř pravidlem a my díky tomu nevíme, jak náročné bude všechny problémy vyřešit.“

V následujícím desetiletí zcela jistě získáme lepší pohled na současné problémy a celkové využití fúze, kdy má díky mezinárodní spolupráci být postaven dosud největší fúzní reaktor na světě. Pod názvem ITER se skrývá projekt, který do jednoho reaktoru spojí vše, co jsme se dosud o fúzi dozvěděli.

Jde zatím o největší naději pro spolehlivé dosažení rentabilního provozu fúzních reaktorů, dosažení kritických teplot, hustoty plazmatu a především stavu, kdy fúzní reakce vytváří více energie, než kolik energie je potřeba pro její vytvoření. Zlom nastává, když energie potřebná pro překonání odpudivých sil dvou vodíkových jader vyústí v jejich spojení a vytvoří se stabilní soběstačný cyklus, který je pro energetické využití fúzních reaktorů nutný.

Je téměř nemožné, aby se tak obrovský a složitý projekt, jakým je ITER, obešel bez komplikací, které následně zdrží jeho výstavbu. USA dokonce pohrozilo, že sníží své prostředky pro financování tohoto projektu. Právě rozpočtová politika a finanční problémy mohou být tím důvodem, proč je možné, že i v následujících třech desetiletích budeme tvrdit, že od řízené fúze jsme vzdáleni pouze 30 let.

Tváří tvář současným problémům, kterým nynější vlády čelí, jako například virové epidemie, teroristické nebo válečné hrozby, jsou desítky let objevů, které často přináší jen další otazníky spolu s všudypřítomnými nezdary a díky nimž přichází projekt zvládání fúze o své fantastické kouzlo.

Co je přesně fúze?

Spolehlivé dosažení návratnosti fúze vytváří dvojitý problém: nastartovat fúzní reakci a poté ji udržet. Pro získání energie z fúzní reakce je potřeba nejprve dodat dostatek energie pro katalýzu jaderné fúze na použitelnou úroveň (v současnosti se provádí lasery, které počáteční energii získají z malých termojaderných výbuchů). Po překročení této úrovně musí být hořící plazma bezpečně udržováno, jinak se stane nestabilním a dojde ke zhroucení reakce.

K udržení plazmatického oblouku uvnitř reaktoru používá většina zařízení silné magnetické pole, které odděluje spalující teploty plazmatu od stěn reaktoru. Při pohledu na tato magnetická vězení připomínají tvarem obří koblihu. V této koblize je při dosažení vhodné teploty udržováno hořící plazma. Tvar navrhli ruští fyzici již v padesátých letech minulého století. Trvalo však ještě několik desetiletí, než v něm byla zapálena první termojaderná fúze v plazmatu.

Historie termojaderné fúze však sahá mnohem dál do historie. Pokud pomineme fakt, že na Slunci probíhá slučování lehkých jader atomů již milióny let a poskytuje nám tak podmínky pro život, lidské počátky sahají do roku 1926, kdy byla Arthurem Eddingtonem fúze poprvé popsána. První laboratorní fúzi jader deuteria (vodík skládající se z jednoho protonu a jednoho neutronu) za vzniku hélia a neutronů provedl tým pod vedením Ernsta Rutherforda v roce 1934. V té době se již Amerika a Rusko začaly zabývat potenciálním využitím fúze pro vojenské účely. Tyto snahy vyústily v první zkušební odpálení vodíkové nálože roku 1952 ze strany USA a vznik první ruské vodíkové pumy v roce 1953.

Pro vytvoření skutečně stabilního plazmatu v tokamaku jsou nutná dvě magnetická pole. Jedno obtéká kolem plazmatu a druhé navazuje na to první v souvislém kruhovém prstenci. Existují momentálně dva používané typy magnetických reaktorů: tokamaky a stelarátory.

Rozdíly mezi nimi jsou relativně malé, ale mohou být důvodem, který rozhodne o výsledném úspěchu jednoho z nich. Hlavní rozdíly vychází z toho, jak vytváří poloidální magnetické pole – to které se pne okolo plazmatu. Tokamaky generují magnetické pole směrováním elektrického proudu skrz proud plazmatu, zatímco stelarátory pomocí magnetů na vnější straně koblihy vytváří šroubovicové magnetické pole, které obtéká okolo plazmatu.

Podle Hutch Nelsona z Princetonské laboratoře plazmové fyziky jsou stelarátory považovány za celkově stabilnější, ale je obtížnější je vytvořit a v současnosti trpí na nedostatek výzkumu. Tokamaky jsou na druhou stranu mnohem lépe prostudovány a jejich výstavba je snazší, přestože disponují některými závažnými problémy se stabilitou.

Nyní neexistuje žádný jasný vítěz závodu mezi těmito dvěma projekty, protože ani jeden z projektů se nezdá být „svatému grálu“ dostatečně blízko. Kvůli neznalosti vítěze zatím vědci vyvíjí oba designy.

„V současné době se potýkáme s nedostatkem řešení. Zachováváme proto dva realistické a nadějné projekty, které mohou společně odstranit nedostatky spojené s výzkumem,“ tvrdí Nielson.

Největší provozovaný fúzní reaktor na světě je tokamak JET (Joint European Torus), který se nachází v Anglii a je spolufinancován Evropskou unií. Zprovozněn byl v sedmdesátých letech a k jeho premiérovému spuštění došlo v roce 1983, kdy úspěšně vytvořil plazma, což byl první krok pro dosažení fúze.

V druhé polovině osmdesátých let doznal JET několika vylepšení a stal se tak největším fúzním reaktorem na světě. Může se také pyšnit titulem nejvýkonnějšího fúzního reaktoru, díky dosaženému výkonu 16 MW. I přesto se u něj stále nepodařilo dosáhnout energetické rentability.

Druhý díl tohoto článku si můžete přečíst zde.

Zdroj úvodní fotografie: Princeton plasma physics laboratory