Termojaderná fúze

Šťastná náhoda svedla dohromady v projektu Materiály pro nové tisíciletí čtyři partnery: Českou kosmickou kancelář o.p.s., Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i., Vítkovice – výzkum a vývoj – technické aplikace a. s. a Asistenční centrum, a.s. Vesmír je stále tajemný plný záhad a inspirací. Jedna z nich jsou procesy pohánějící „živé“ hvězdy včetně našeho Slunce. Termojaderná fúze! Civilní využití termojaderné fúze s cílem postavit termojadernou elektrárnu probíhá více než padesát let. Hodně bylo vyřešeno, hodně vyřešit zbývá. Zdá se, že kardinálním problémem, který se před fyziky a dnes můžeme oslovit i inženýry, jsou konstrukční materiály.

Lidé si často pletou fúzi se štěpnou reakcí. Oboje od jádra jest, oboje uvolňuje jadernou energii, takže důvodů k záměně se najde dost. Základní rozdíl spočívá v samotném procesu. Zatímco při štěpné jaderné reakci se jádra nejtěžších prvků dělí a při tom se uvolňuje energie, při fúzi naopak jádra lehkých prvků se spojují a to je důležité, také se uvolňuje energie. Dokonce více energie!

Kdo bude chtít vědět ještě více, podívá se na internetové odkazy nebo dokonce se přihlásí ke studiu jaderné fúze na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze. Termojadernou fúzí se zabývá v Česku především Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR, v.v.i., jmenovaná vysoká škola a okrajově i Fakulta elektrotechnická ČVUT. Existuje vůbec způsob výroby elektřiny, který by mohl v plné míře nahradit současné tepelné respektive atomové elektrárny? Existuje alternativa tradičním soustředěným zdrojům energie?

Existuje a je to fúze jader lehkých atomů. Zatímco v současných atomových elektrárnách se jaderná energie uvolňuje štěpením nestabilních jader těžkých atomů, zejména izotopu uranu 235U92. Pokud bychom se spoléhali na zásoby 235U92, pak se pohybujeme v řádech stovek let, což odpovídá době vyčerpání zásob fosilních paliv. Intenzivně se vyvíjí reaktory IV. generace, které budou využívat mnohem rozsáhlejší zásoby 235U92 a thoria. Zajímavé je, že první, kdo se pokoušel o jadernou fúzi, byli protagonisté tzv. studené fúze již v roce 1926. V obecném podvědomí utkvěl však až rok 1989, kdy Fleischmann a Pons s velkou slávou pozvedli vlajku studené fúze, aby se zhruba každé dva tři následující roky se objevil „zásadní zlom“ ve výzkumu jejich „objevu“. Ono se těžko dokazuje, že něco nelze a tak výzkumy studené fúze, dnes pod názvem LENR (Low Energy Nuclear fúze: uvažovaná slučovací reakce deuteria a tritia (DT) – izotopů vodíku – je surovinově neomezená; na rozdíl od štěpného reaktoru je ve fúzním reaktoru v každém okamžiku palivo hmotnosti poštovní novinové známky a jakákoli nestandardní situace okamžitě reakci zastaví bez znatelného poškození reaktoru – nejde o řetězovou reakci, neexistuje tu pojem kritického množství; deuterium není radioaktivní, slabě radioaktivní tritium 232Th90, což by posunulo dobu vyčerpání suroviny na tisíce let. Jak štěpné reaktory IV. Generace, tak reaktory fúzní plánují puštění v II. polovině tohoto století. Inspirací fúzním reaktorům je nám nejbližší hvězda – Slunce. V nitru Slunce probíhá jaderná fúze více jak čtyři miliardy let a zhruba stejnou dobu ještě probíhat bude. Okopírovat procesy v nitru Slunce na Zemi dost dobře nelze, neboť rozhodující roli pro úspěšné fuzní doutnání Slunce hraje jeho bezkonkurenčně obrovská hmotnost. Nicméně existují fuzní reakce, které lze na Zemi uskutečnit a to dokonce s využitelným energetickým ziskem. Například pro výrobu elektrické energie. Reaction pokračují. Diverzita je matkou pokroku, takže proč ne. V roce 1934 Ernest Rutherford spojil jádra deuteria, když energii potřebnou k překonání odpudivých elektrostatických sil dodal lineárním urychlovačem. Tehdy se nositel Nobelovy ceny nechal slyšet, že každý, kdo by uvažoval o průmyslovém využití jaderné energie, je nenapravitelný snílek.

Seriózní výzkumy fúzní energie za účelem civilního využití začaly ve čtyřicátých letech v Sovětském svazu, pojeném království a ve Spojených státech amerických. Obrovským lákadlem byla surovinová nevyčerpatelnost, vnitřní jaderná bezpečnost, ekologičnost si bude reaktor vyrábět sám – heliový „popel“ není skleníkovým plynem. Nepříjemný je druhý produkt reakce DT. Neutrony narušují pevnost konstrukčních materiálů a způsobují jejich sekundární radioaktivitu. Nepříjemné, nikoli fatální. Fúze je nezávislá na počasí a elektrárnu můžete postavit v místě spotřeby. Sluneční fúze je pramátí prakticky všech zdrojů energie na Zemi, fosilními počínaje a obnovitelnými konče. Dost důvodů proč se o fúzi zajímat!

Kdosi prohlásil, že uchovat termojaderné plazma v klidu, je jako přenášet puding v síťové tašce. Dlouho trvalo, než se našel způsob, jak vysokoteplotní plazma zkrotit. Byla postavena řada zařízení s magnetickým polem, i bez a až v roce 1968 v Novosibirsku na mezinárodní konferenci vědci bývalého Sovětského Svazu v čele s A. L. Arcimovičem převedli výsledky získané na zařízení tokamak, před kterými si zbytek světa doslova posadil na… židli. Výsledky rychle potvrdili vědci ze Spojeného království a tokamak tak zahájil vítěznou cestu světem. Tak jako se počítá historie lidské společnosti před Kristem a po Kristu, je termojaderná věda před tokamakem a po tokamaku. Současný vrchol dosažený tokamakem se jmenuje ITER a staví ho vedle Evropské unie dalších šest států na jihu Francie. Ale nepředbíhejme a pojďme si říci něco o tom, co bylo, když ještě nebyl… tokamak. Od Rutherfordových pokusů ve třicátých letech předběhlo uvolňování jaderné energie fúzí štěpení jader, a to jak ve vojenské, tak v civilní oblasti. Když byla odpálena fúzní jaderná nálož v roce 1952, odborníci čekali na základě analogie se štěpnou jadernou reakcí, že se fúzní elektrárna objeví do deseti, maximálně do dvaceti let. Nestalo se tak. Co je příčinou zdánlivě dlouhých výzkumů, na jejichž konci by měl zdroj energie, jaký lidstvo dosud nepoznalo?

Z lidského hlediska je jasné, že zvládnutí něčeho tak ideálního, jako je fúzní energie, nebude snadné. Z fyzikálního hlediska je třeba přiblížit dvě souhlasně elektricky nabitá a tudíž elektrostaticky se odpuzující jádra na vzdálenost, kdy začnou působit přitažlivé jaderné síly, a tím dojde k fúzi jader. Kinetickou energii potřebnou k překonání potenciální bariéry lze dodat jádrům dvěma způsoby – usměrněnou urychlovačem a chaotickou ohřátím. Z hlediska energetického zisku se zdá, že k cíli povede druhý způsob a proto se hovoří o termojaderné fúzi. Látka při termojaderných teplotách je ve stavu plazmatu. Zjednodušeně lze říci, že plazma je ionizovaný plyn (to je substance složená z nabitých a neutrálních částic). Právě fyzika vysokoteplotního plazmatu – teoretický základ pro první fúzní experimenty – neexistovala. Ke svému vývoji na druhou stranu potřebovala relativně rozměrná a tudíž nákladná zařízení, která vyžadovala teoretické zdůvodnění – začarovaný kruh.

Termojaderné teploty dosahují hodnot stovek miliónů stupňů. Takové teploty lze izolovat od stěn reaktoru pouze silovými poli a prakticky jediným použitelným polem je pole magnetické. Vhodné konfigurace magnetického pole se nazývají magnetické nádoby. V průběhu let se nejlepší magnetickou nádobou ukázala konfigurace zvaná tokamak. Slovo ruského původu značí „toroidálnaja kamera i magnitnyje katuški“ – toroidální komora a magnetické cívky. Tokamak je transformátor, do jehož primárního vinutí se vybije elektrický výkon, který se zkratuje v jediném sekundárním závitu. Elektrický proud zkratového výboje plazma jednak ohřívá Jouleovým teplem a jednak spoluvytváří magnetickou nádobu. Tato dvojrole je geniálním nápadem pánů A. D. Sacharova a I. E. Tamma. Tokamak tvoří celá řada soustav magnetických cívek plnící nejrůznější úkoly – většina z nich je dnes u větších zařízení z důvodů kladné energetické bilance tokamaku ze supravodivého materiálu. Plazma se na termojaderné teploty doohřívá mikrovlnami a svazky rychlých neutrálních částic. Tokamakové plazma se stalo hybnou silou rychlého rozvoje fyziky vysokoteplotního plazmatu. V počátcích fúzního výzkumu byl více než zdatným partnerem tokamaku stelarátor původem z amerického Princetonu, kde ho sestrojil slovutný astrofyzik L. Spitzer. Možnost pracovat kontinuálně byla „kompenzována“ nesmírnou složitostí cívek magnetického pole. Komplikovanost sebou nesla netěsnosti magnetické nádoby, a tím i zhoršené udržení energie plazmatu. Teprve současnost, která nabídla výkonné počítače, zpřesnila udržující magnetické pole natolik, že se v Greifswaldu na severu Německa dokončuje velký supravodivý stelarátor Wendelstein W7-X. Brzy uvidíme, zda optimismus jeho konstruktérů má opodstatnění.

Neúspěšnější jsou tokamaky. Největší z nich, mezinárodní tokamak , vyrůstá v jižní Francii a bude prvním fúzním zařízením s kladným energetickým ziskem. Vyprodukuje větší výkon, než bude jeho příkon. Pak ještě DEMO – demonstrační reaktor, vyrábějící elektřinu a můžeme se těšit na fúzní elektřinu v zásuvkách. Nu, tak jednoduché to asi nebude, ale perspektiva fúzní elektrárny coby člena energetického mixu je reálná. A co ostatní zařízení? Co jiné směry než magnetické udržení? Poslední dvě pokračování tohoto článku jsou věnována právě těmto otázkám! V současné doběfunguje na světěkolem stovky tokamaků nejrůznějšího určení, z nichž nejdůležitější desítku vlastní Německo, Francie, USA, Japonsko, Čína, Jižní Korea a Rusko. Česko bylo jedinou z deseti zemí přistupujících v roce 2004 do EU, která měla tokamak. Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze je snad jediná universita na světě, která pro studenty provozuje jak štěpení atomových jader (reaktor Vrabec), tak i slučování (tokamak GOLEM). Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. má moderní tokamak COMPASS. Výjimečné postavení zaujímá na světě největší tokamak JET, který Evropská unie provozuje v anglickém Culhamu poblíž Oxfordu. Američané svým TFTR „jednou“ vystřelili v roce 1992 a vzápětí ho rozmontovali. JET je tak jediným tokamakem schopným pracovat se směsí deuteria a tritia. V roce 1997 uvolnil 16 MW fúzní energie, což představovalo 65 % příkonu. Růst velikosti tokamaků není rozmar výzkumníků, nýbrž se tak zvětšuje doba udržení energie potřebná pro úspěšné fungování fúze.

Všechny tokamaky svůj program podřizují rodícímu se mezinárodnímu projektu – tokamaku ITER. Evropská unie a dalších šest států – Rusko, USA, Čína, Japonsko, Jižní Korea a Indie – staví dvakrát větší tokamak než JET ve francouzském Cadarache, sto kilometrů severně od Marseille. ITER poprvé uvolní více fúzní energie, než bude jeho příkon, a to desetkrát. Poprvé je u tokamaku kladen větší důraz na výzkum technologie, než na studium fyziky. ITER bude mít největší objem čerpaný na technické vakuum a největší supravodivý magnet na světě.

Gradient teploty, kdy na několika málo metrech stoupne teplota od absolutní nuly ke 200 miliónům stupňů, se také hned tak nevidí. Bude-li ITER úspěšný, pak se dokončí stavba demonstračního reaktoru DEMO, který bude vyrábět elektřinu a částečně prověří ekonomii fúzního reaktoru. Pokud ani DEMO se nesetká s principálními problémy, bude následovat stavba komerční fúzní elektrárny. Kdy? Začátkem druhé poloviny tohoto století?

Všimněte si prosím podmiňovacího „pokud“! Nikdo dnes nedokáže s jistotou říci, že tokamak bude úspěšný natolik, že se stane základem pro fúzní elektrárnu. Co se stane, když se v tokamaku zklameme? Existuje nějaká další možnost jak zachránit pro společnost termojadernou fúzí?

Samotná kategorie magnetických nádob, do které patří tokamak, má dalšího kandidáta. O stelarátoru jsme již hovořili minule. Největší z nich – stelarátor Wendellstein WX-7 je zhruba na úrovni tokamaku JET osmdesátých let minulého století. Obrovské finanční prostředky spotřebovává inerciální fúze, kde mikrovýbuchy termojaderného paliva iniciují mohutné lasery. Jedná se o „alternativní“ přístup magnetickému udržení. Nedávno 192 laserových svazku vystřelilo energii větší, než 2 megajouly v Lawrencově národní laboratoři v Livermoru. NIF (Národní zapalovací zařízení) je pochopitelně držitelem světového rekordu – 240 svazkové zařízení dokončuje Francie nedaleko Bordeaux. Pozadu nezůstává kolébka laserové fúze – Rusko, které připravuje projekt 2,8 mgajoulového laseru. Tato zařízení mají o finance postaráno, neboť mají vojenské využití.

Nesmíme ovšem zapomenout na hybridní reaktory, ve kterých fúze v jádru reaktoru slouží jako zdroj vysokoenergetických neutronů pro transmutaci podkritického množství jaderného odpadu štěpných atomových elektráren umístěného v obalu reaktoru. Existují ideje fúzní části na principu tokamaku i na principu laserové fúze. Konečně připravovaný ITER je svým způsobem hybridní reaktor. V centrální části vakuové komory bude probíhat fúzní reakce deuteria a tritia a v obalu obklopující termojaderné plazma budou neutrony štěpit lithium (a vyrábět tak tritium). Existují návrhy na využití produktů DT reakce – rychlých neutronů ve farmacii, strojním průmyslu apod. Viz firma Tokamak Solution z anglického Culhamu. Jako lev číhá na svoji kořist, čekají na svoji příležitost otevřené systémy v čele s Z-machine v Sandia Laboratory. Nedávno tamní odborníci publikovali počítačovou simulaci, kdy při 60 megaampérech budou fúzi blízko, blizoučko. Nyní do drátěného válečku vybíjejí 27 mega a drží tak světový rekord ve výkonu rentgenového záření 300 TW. Fúzní strom je košatý a ze samotného pně vyrůstá větev Inerciálního elektrostatického udržení (IEC). Pozor! Nezaměňovat za Inerciální udržení, což je laserová fúze, zatímco IEC je příkladem toho, že postulát o neziskovosti fúze pomocí urychlovače nelze brát doslova.

Pokud použijeme sférický urychlovač místo lineárního, je tu další přístup jak se domoci fúzních neutronů. Dokonce tak jednoduchý, že fusor staví „amatéři“ včetně středoškolských studentů. Neutrony ano, energie ne. Zatím! Studenou fúzí jsme začali a studenou fúzí skončíme. Existuje řada dalších až bizarních nápadů jak přemoci obra zvaného řízená termojaderná fúze. K posledním patří humbuk kolem pánů Rossiho a Focardiho z Boloňské university, kteří údajně mají k dispozici modulární fúzní zdroj E-cat (Energy catalysator) a fúzní elektrárna bude co nevidět, respektive měla fungovat minulý podzim díky řecké firmě(!).

Odložme zábrany a pohleďme do budoucnosti. Úžasným vítězstvím by byly cívky z vysokoteplotních supravodičů. Očekávají se materiály odolnější než ocel, například na základě uhlíkových kompozitů. Náhrada reakce DT, reakcí pB – jinak reakcí protonu s bórem, jejichž produktem jsou jen stabilní a nabité částice, přibližuje přímou přeměnu jaderné a elektrickou energii. A co pohon kosmických lodí směřujících dále než jen k Marsu? Důležité je jedno. Tokamak není na své pouti za energeticky ziskovou fúzí sám, což zvyšuje pravděpodobnost úspěchu, i když v současné doběse nikdo neodváží v tomto článku jmenovaný nebo nejmenovaný princip jednoznačně favorizovat. Na závěr ne zcela přesvědčivý avšak optimistický argument ve prospěch tokamaků zní  takto: „Každá nová generace tokamaků přinesla nové problémy. Ovšem vždy se tyto problémy podařilo vyřešit!“

Velikán světové vědy, Lev Arcimovič prohlásil: „Termojaderná fúze bude, až ji lidé budou potřebovat!“ Chtěl říci, když lidé potřebovali eliminovat vítězství fašistického Německa v závodě o atomový primát, dokázali soustředit ekonomický a lidský potenciál a atomovou pumu vyrobili. V Los Alamos se do vývoje vodíkové nálože investovalo stokrát více, než se vkládá do projektu ITER! Fúze bude zapotřebí, až z nejrůznějších důvodů, nebude čím rozsvítit žárovku, byť bude šetřící!

Autor článku: Ing. Milan Řípa, Csc.
Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i.