5 zásadních problémů při jaderné fúzi
Jaderná fúze je zdrojem energie budoucnosti, který by mohl zpomalit globální oteplování. Jde o téměř nevyčerpatelný zdroj, který je bezpečný, protože neexistuje riziko výbuchu a nekontrolované reakce. Navíc je ekologický, udržitelný a na rozdíl od jaderných elektráren neprodukuje radioaktivní odpad. Proč tedy jadernou fúzi stále nemáme a jaké problémy musí vědci vyřešit pro její využitelnost?
Jaderná fúze je typ jaderné reakce, při níž se slučují dva atomy lehkých prvků do jednoho těžšího. Zároveň dojde k uvolnění obrovského množství energie. Nejčastěji se pro syntézu používají jádra izotopů vodíku deuterium a tritium. Deuterium se v přírodě běžně vyskytuje, je obsaženo ve vodě. Tritium se vyskytuje pouze vzácně, lze ho však získat z lithia, jehož celosvětové zásoby dosahují milionů tun. Pro vytvoření fúzní reakce je potřeba pouze malé množství paliva. Fúzní reaktor o výkonu 1 GW spotřebuje jen 2 kg paliva za den. Proto se jedná o dlouhodobě udržitelný zdroj energie.
Termojaderná fúze není v principu složitá a je fyzikálně velmi dobře popsána. Problémem zůstává její technické provedení. Podívejte se, jaké překážky musí vědci vyřešit, aby ji bylo možné prakticky využít v energetice.
1. Velké množství energie pro vytvoření fúze
K jaderné fúzi dochází na Slunci a dalších hvězdách, jedná se o základní energetický zdroj ve vesmíru. K fúzi dochází ve středu Slunce za působení vysokých teplot a ohromného tlaku. Na Zemi je simulace podobných podmínek velmi složitá, problémem je zejména vytvoření dostatečného tlaku. Proto se využívá další navyšování teplot – pro vyvolání fúzní reakce je potřeba 150–200 milionů stupňů Celsia.
To je samozřejmě enormně energeticky náročné a zatím se nepodařilo vyrobit reaktor, který by byl schopen vygenerovat více energie, než sám pro fúzi spotřebuje. Pro dosažení návratnosti je potřeba vyřešit dva problémy – iniciovat fúzní reakci a následně ji udržet. Nejdříve se musí z plynu vytvořit plazma. Po zahájení fúzní reakce musí být hořící plazma udržováno, jinak se stane nestabilním a dojde ke zhroucení reakce.
Nejúspěšnější pokusy dokázaly vytvořit rozpálené plazma o teplotě 200 milionů stupňů a nejdéle se podařilo udržet fúzi po dobu 102 sekund. Zatím největším provozovaným fúzním reaktorem je JET v Anglii, jenž byl spuštěn v roce 1983, kdy úspěšně vytvořil plazma. Jeho rekordem je výkon 65 % z celkové spotřebované energie. Ani zdaleka tak není energeticky rentabilní. Momentálně je na jihu Francie ve výstavbě experimentální reaktor ITER, který by měl vytvořit desetinásobek vložené energie.
2. Velikost a tepelná odolnost reaktoru
Pro vytvoření dostatečného množství energie a rentabilitu jaderné fúze je potřeba, aby se plazma samo udrželo. To znamená, že energie pro ohřev plazmatu vzniká ze samotné fúzní reakce a nemusí být dodávána zvenčí. Vědci předpokládají, že hlavní problém, proč se fúzi zatím nepodařilo udržet, je velikost reaktoru.
Ve výstavbě je největší reaktor ITER, jehož rozměry by měly poprvé v historii umožnit dosáhnout energetické rentability termonukleární fúze. ITER je osmkrát větší než dosud testované reaktory, je konstruován na 840 m3 plazmatu, které by mělo dosáhnout teploty 150 milionů stupňů Celsia. Předpokládaný výkon reaktoru je 500 MW při dodávce energie 50 MW, měl by tedy vyrobit 10× více energie, než spotřebuje.
Aby horké plazma neroztavilo reaktor, využívá se silné magnetické pole, které ho odděluje od stěn. Momentálně existují dva druhy reaktorů – tokamak a stelarátor. Rozdíl mezi nimi tkví ve způsobu vytváření magnetického pole. ITER funguje na principu tokamaku.
3. Obrovské náklady na výzkum
Výzkum spojený s jadernou fúzí je velmi nákladný a reálné výsledky jsou bohužel zatím v nedohlednu. Ačkoliv po celém světě existují desítky menších projektů, pro zvládnutí komplexnosti jaderné fúze je potřeba mezinárodní spolupráce.
Právě proto začala kooperace na reaktoru ITER, který se stal druhým nejdražším vědeckým projektem na světě. Do roku 2015 stavba spokla 15 miliard eur a celkový rozpočet byl navýšen z 18 miliard na 20 miliard eur – z toho téměř polovinu financuje Evropská unie.
Napjatý rozpočet zůstává hlavním problémem, kvůli kterému dochází ke zpoždění ve výstavbě a spuštění. Podle původního plánu měl v současné době ITER už vyrábět plazma a během deseti let naběhnout na plný výkon. Kvůli nedostatku financí a zpoždění v dodávkách dílů je však již nyní projekt minimálně o pět let opožděn.
S finančním nedostatkem se nepotýká jen projekt ITER. Vědci odhadují, že právě nízké investice do výzkumu jsou důvodem, proč je nám zvládnutí jaderné fúze stále desítky let vzdáleno.
4. Nutnost nadnárodní spolupráce
Obrovské náklady na výzkum termojaderné fúze souvisí rovněž s nutností mezinárodní spolupráce. Na projektu ITER se podílí Evropská unie, USA, Čína, Rusko, Jižní Korea a Japonsko. Na jednu stranu nadnárodní spolupráce vytváří lepší možnosti financování, na druhou stranu kvůli komplexnosti projektu vzniká mnoho problémů. Zúčastněné státy nedodržují včasné dodávky komponent, dokonce ani výši svého podílu, a tak dochází ke zdržení, což vytváří frustraci a nespokojenost.
Náročnost výzkumu způsobuje, že na jednom projektu je potřeba pracovat i déle než jednu generaci. A to se zatím ukazuje jako velmi problematické, protože z politického hlediska jsou důležitější okamžité výsledky. Krátkodobé uvažování však ve výzkumu jaderné fúze není možné. Například koncepce reaktoru ITER pochází již z 80. let, od zahájení vypracování technického projektu uplynulo již téměř 30 let, ale stavba reaktoru ještě není dokončena. Teprve poté může začít testování, které potrvá další desítky let.
Otázky ohledně budoucnosti financování projektu ITER vyvstávají zejména kvůli USA. Ty v roce 2017 snížili svůj příspěvek na polovinu. Kvůli prodlení začínají být nervózní i ostatní státy a pro vystoupení z projektu se přiklonili například poslanci zelených v Německu. Spolupráce a stabilní financování od všech zúčastněných zemí je klíčem k tomu, aby výzkum probíhal co nejrychleji.
5. Přeměna fúzní energie na elektřinu
Ačkoliv reaktor ITER přináší obrovskou naději do výzkumu jaderné fúze, je potřeba si uvědomit, že se jedná pouze o experimentální zařízení. Součástí vůbec nebude testování přenášení vytvořené energie do elektrické sítě. K tomu bude sloužit testovací reaktor DEMO, jehož výstavba se plánuje v Japonsku.
Reaktor DEMO bude navazovat na poznatky z projektu ITER a měl by být již posledním krokem před zapojením fúzního reaktoru do distribuční sítě. Právě reaktor DEMO bude mít za úkol zjistit, jak nejefektivněji transformovat fúzní energii pro komerční účely. Na základě těchto poznatků pak budou budovány první fúzní reaktory pro využití v běžné síti. Podle aktuálního plánu bychom se této fáze měli dočkat v roce 2050.
Fúzní výzkum v Česku?
Pokud se o jadernou fúzi moc nezajímáte, možná vás trochu překvapí, že tokamak najdete i v Česku. Fúzní výzkum u nás totiž má poměrně dlouhou historii, která sahá až do 60. let minulého století, kdy se touto problematikou začal zabývat Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR. Ten v roce 1977 uvedl do provozu první tuzemský tokamak nazvaný CASTOR, který byl dovezen z Ústavu atomové energie I. V. Kurčatova v Moskvě. Díky tokamaku CASTOR získal ústav řadu výsledků světového formátu, a mohl tak rozvíjet mezinárodní spolupráci mimo země východního bloku na západ, především do Francie a Itálie. Tokamak fungoval až do roku 2006, posléze jej nahradil novější a modernější kus, COMPASS. Některé z výsledků tohoto tokamaku dokonce přímo ovlivnily konstrukci určitých částí ITERu.
V současné době se Ústav fyziky plazmatu AV soustředí hlavně na nový ambiciózní projekt – COMPASS Upgrade, který má být reakcí na orientaci celosvětového fúzního výzkumu na problematiku týkající se přípravy prototypu fúzní elektrárny DEMO. Cílem projektu bude vyřešit některé z výzev, které jsou klíčové pro konstrukci reaktoru DEMO.
Ve výzkumu jaderné fúze však nezůstávají pozadu ani naši sousedé. V Německu se aktuálně pracuje na modernizaci stelarátoru Wendelstein 7-X. Cílem Ústavu fyziky plazmatu (IPP) Maxe Plancka v Greifswaldu je dosáhnout pulzu trvacíjího celou půlhodinu.
Nadějné projekty fúzní energetiky
- INFUSE: Vzhledem k tomu, že realizace tokamaku ITER nejde podle plánu, rozhodly se Spojené státy, které jsou jedním z partnerů projektu, že vývoj v oblasti jaderné fúze trochu popoženou. Vyhlásily nový program zvaný INFUSE, který se věnuje technologiím s potenciálem urychlit vývoj fúze, jako jsou například nové a vylepšené supravodivé magnety. Vedení projektu se ujaly dvě národní laboratoře: ORNL (Oak Ridge National Laboratory) a PPPL (Princeton Plasma Physic Laboratory). Spolupracovat na něm však budou různé výzkumné pracoviště, včetně našeho českého Ústavu fyziky plazmatu.
- HB11 Energy: Australský start-up HB11 Energy pracuje s úplně jiným konceptem než je deuteriovo-tritiová termojaderná fúze. Jejich technologie navazuje na výzkum Heinricha Hory, teoretického fyzika původem z Děčína a funguje na základě vodíkovo-bórové fúze. Začátkem tohoto roku se tým HB11 Energy dokonce nechal slyšet, že vše funguje mnohem lépe, než původně očekávali. Ukázky technologií ještě nejsou zcela hotové, ale pokud jsou informace, které HB11 Energy publikuje, pravdivé, s nějvětší pravděpodobností by mohly výsledky být mnohem dříve, než se zprovozní problematický ITER.
Shrnutí
Problémy jaderné fúze jsou tedy poměrně zásádní a nelze očekávat, že budou v dohledné době vyřešeny. I když může jaderná fúze vyřešit problém globálního oteplování i nedostatku fosilních paliv, budeme si muset na využitelné výsledky výzkumu ještě několik desítek let počkat.
