Dlouhá cesta k energii hvězd

Hvězdy včetně našeho Slunce získávají energii tak, že se v nich slučují jádra vodíku, vzniká helium a uvolňuje se energie. Postup, říká se mu fúzní (nebo termonukleární) reakce, lidé zatím ovládli jenom v jeho ničivé podobě. Takto funguje vodíková bomba. Ale zařízení, které by na stejném principu mírumilovně dodávalo dostatečné množství energie, tu zatím není. A hodilo by se. Nevypouští škodlivé exhalace, nevznikají v něm vysoce radioaktivní odpady a suroviny (těžší varianty vodíku) jsou také vcelku k sehnání.

Od padesátých let se vědci snaží fúzní reaktor sestrojit. Jeho konstrukci, která ve světě převládla, vymysleli sovětští fyzikové Igor Tamm a Andrej Sacharov (tehdy ještě konstruktér vodíkové bomby, až později disident). Usoudili, že směs v reaktoru mohou udržet pod kontrolou pomocí magnetického pole v přístroji, který později dostal název tokamak.

Opravdu velmi zjednodušeně: Tokamak je velikánská nádoba ve tvaru pneumatiky připojená k transformátoru, v níž je jen pár gramů izotopů vodíku – deuteria a tritia. Napětí transformátoru uvede do pohybu několik volných elektronů a iontů v napuštěném plynu. Nabírají rychlost, narážejí do atomů a odtrhávají jejich elektrony. V nádobě vzniká směs z elektronů a kladných iontů, jíž se říká plazma. Proud z transformátoru ho ohřívá, takže dosáhne teploty milionů stupňů Celsia. Nádoba je obklopena cívkami, jimiž prochází proud. Tak se vytvoří magnetické pole, které spolu s magnetickým polem elektrického proudu protékajícího plazmatem udržuje horké plazma dál od stěny nádoby, aby ji nepropálilo, čímž by reakce vyhasla.

Kladně nabité ionty se v horkém plazmatu pohybují tak rychle, že při vzájemné srážce překonávají odpudivou sílu a spojují se. Vznikají atomy helia a uvolní se obrovské množství energie. Právě kvůli ní se to všechno dělá.

Uvolňovanou energii nesou z velké části volné neutrony, které magnetické pole neudrží, protože jsou elektricky neutrální. Brzdí se ve stěnách reaktoru, ohřívají je, takže teoreticky stačí, aby teplotu převzalo chladicí médium, které pak v parogenerátoru vytvoří páru pro starou dobrou parní turbínu.

Víc spotřebuje, než vydá

Zatím nikdy se však v těchto experimentálních zařízeních nepodařilo získat víc energie, než se spotřebovalo na provoz. Neboli – komerčně se to zatím využít nedá.

Doposud největším tokamakem na světě je evropský JET (Joint European Torus) vybudovaný v Anglii poblíž Oxfordu. V roce 1997 zařízení dalo výkon 16 megawattů fúzní energie. Pravda, spotřebovalo k tomu příkon 24 MW a reakce probíhala jen pár setin sekundy. Pak se však objevily problémy s ohříváním plazmatu, reaktor byl přes dvacet let odstavený, prošel mnoha úpravami a do dalšího experimentálního provozu by se měl dostat až letos v listopadu.

Na výsluní místo něj proniklo čínské zařízení mezinárodně nazývané EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak). To v roce 2018 dokázalo udržet plazma o teplotě 15 milionů stupňů Celsia po rekordní dobu sto sekund. Jenže z takto krátkých pulzů se komerčně fungující zásobování energií zajistit nedá. Čína plánuje, že třikrát větší zařízení postaví někdy do konce dvacátých let.

Naděje postupuje hodně pomalu Opravdu nadějným krokem vpřed by měl být Mezinárodní termojaderný experimentální reaktor (ITER – International

Thermonuclear Experimental Reactor; slovo iter současně v latině znamená cesta). Dohodu o jeho stavbě podepsali v roce 2006 zástupci Evropské unie, USA, Ruska, Číny, Japonska, Jižní Koreje a Indie. Tehdy se čekalo, že experimenty začnou v roce 2016. Stavba měla přijít na pět miliard eur, provoz do roku 2040 měl spolknout přibližně stejnou sumu (v cenách z roku 2000).

Realita je taková, že montáž reaktoru ITER konečně začala teprve letos v létě ve francouzském výzkumném středisku Cadarache u Marseille. Jeho některé díly váží i stovky tun a měří jako čtyřpatrová budova. Nyní se plánuje, že první testy začnou v roce 2025 a plný experimentální provoz pak v roce 2035. Celkové náklady budou nejméně dvojnásobné.

Ovšem pozor, i ITER, jak připomíná jeho název, bude zařízením pouze experimentálním. Má vyzkoušet postupy, kterými by šlo udržet v reaktoru funkční plazma snad i po dobu desítek minut a získávat z fúze až desetkrát víc energie, než bude zapotřebí na provoz zařízení. Poznatky by posléze měly vést ke konstrukci komerčních reaktorů. Ty by snad mohly být k dispozici někdy v roce 2060.

inzerce

Tedy více než století poté, co se myšlenka na tento způsob získávání energie zrodila.

Od laseru po supravodiče

Fyzikové samozřejmě promýšlejí a zkoušejí i jiné způsob, jak se k jaderné fúzi dostat. Jednou ze zajímavých myšlenek je, že jádra vodíku se nemusí srážet v magnetickém poli, ale že je k sobě stlačí záření vysoce energetického laseru. Tím se sloučí, vytvoří helium i energii. Pokusy probíhají, ale výsledky do energetické praxe ani zdaleka nedorazily.

Novinkou, jež by měla reálně ovlivnit fungování tokamaků, jsou supravodiče, které pracují při vyšších teplotách. Což znamená, že jim „stačí“třeba jen minus 200 stupňů Celsia, zatímco dosavadní supravodiče je nutné vychladit na pár stupňů nad absolutní nulu (ta má hodnotu minus 273 °C). Tím se ušetří spousta energie na chlazení, navíc nové supravodiče umožňují zmenšení magnetů, a tedy i reaktorů.

Technici zase hlásí inovace v konstrukci reaktorů a také vývoj lepších robotických systémů, které mohou zařízení lépe a levněji kontrolovat a udržovat.

Do debat se dostává také tvar reaktoru. Někteří fyzikové uvažují o odklonu od tokamaku a návratu k odlišné konstrukci zvané stelarátor. Tu vymyslel americký fyzik Lyman Spitzer už v padesátých letech, ale jevila se jako příliš složitá. Dnešní materiály a technika by už možná dokázaly konstrukci stelarátoru lépe využít pro stabilizaci plazmatu uvnitř.

A pomoci by měly také výkonnější počítače. Loni na podzim tým z Princetonské univerzity v USA začal používat svůj nový superpočítač pro výpočet chování plazmatu ve fúzním reaktoru. Rovněž další vědecké týmy sázejí na umělou inteligenci a předpokládají, že by mohla reaktor řídit tak, aby se fúzní reakce udržela dostatečně dlouho.

V létě začala v jižní Francii montáž největšího světového fúzního reaktoru. Fyzikové doufají, že další impulzy k novým poznatkům jim dodá umělá inteligence, nové supravodiče a soukromý kapitál.

Termonukleární reakci lidé ovládli jenom v ničivé podobě vodíkové bomby. Zařízení, které by na stejném principu dodávalo dostatečné množství energie, tu ale zatím není.

Peníze od Billa Gatese

Podstatné urychlení výzkumu by mohl přinést soukromý kapitál (jako se to stalo třeba při popisu lidského genomu nebo v kosmonautice). Na Massachusettském technologickém institutu v americké Cambridgi vznikl projekt a dnes už spin off, nazvaný Commonwealth Fusion Systems, který financují miliardáři včetně Billa Gatese, Jeffa Bezose, Jacka Ma a Richarda Bransona. Jeho snahou je vytvořit fúzní reaktor do deseti let. Podobné cíle si dává také britská soukromá společnost Tokamak Energy.

Zástupci veřejných projektů jsou však k údajům soukromých konkurentů skeptičtí. „Představují časové plány, které se líbí investorům,“řekl Tony Donné, jeden z manažerů kolem tokamaku JET, pro časopis New Scientist. „Nevěřím, že by opravdu byli schopni dodat fúzní reaktory rychleji, než to umíme my.“