Vybrané články
z týdeníku The Economist

Jasnější než sedm desetin slunce

Rozbíhá se závod o komerční fúzní reaktor. První má stát už za čtyři roky.

Jasnější než sedm desetin slunce
ilustrační foto | Profimedia.cz

Starý vtípek o jaderné fúzi – že nás od ní dělí třicet let a vždycky bude – je už tak otřepaný, že ho editor vědecké sekce The Economist zakázal redaktorům používat. Nikdo nepochybuje, že je udržitelná termojaderná fúze principiálně možná. Ostatně pohání všechny hvězdy ve vesmíru. Ale její rozběhnutí na Zemi je mnohem obtížnější. Inženýři se o to pokoušejí už od 50. let minulého století, dosud bezúspěšně. Na nejnovějším a nejrozsáhlejším pokusu – ITER, mezinárodním pokusném reaktoru v jižní Francii – se pracuje už jedenáct let a už nyní o desítky miliard dolarů překročil původně plánovaný šestimiliardový rozpočet.

Nic z toho však nemůže odradit vzrůstající počet příznivců „alternativní fúze“. Kombinací nové technologie a podnikatelské odvahy hodlají ITER porazit. V polovině června dokázal jeden z nich, kanadská společnost General Fusion, že to myslí smrtelně vážně. General Fusion oznámila, že v areálu britské národní laboratoře pro výzkum termojaderné fúze v Culhamu postaví předváděcí reaktor, který bude mít 70 procent velikosti plánovaného komerčního. Stejně jako ITER by se tento reaktor měl rozběhnout do roku 2025.

Snadno se brzdí

Na papíře vypadá fúze přitažlivě. Existující jaderné elektrárny spoléhají na štěpení – rozštěpení těžkých atomů, zejména uranu, na lehčí. Takto uvolněná energie ohřívá vodu do bodu varu a vznikající pára roztáčí turbíny, které generují elektřinu. Fúzní elektrárny se pokoušejí o opak – vyrábět teplo spojováním lehkých atomů, aby vznikly atomy těžší.

Na rozdíl od uhlí nebo zemního plynu nevzniká při jaderné fúzi žádný oxid uhličitý, který by ohříval planetu. Na rozdíl od solárních panelů a větrných turbín mohou fúzní elektrárny pracovat za jakéhokoli počasí. Na rozdíl od štěpných elektráren nehrozí, že by se jejich technologie dala použít k vývoji jaderných zbraní, a měly by také generovat podstatně méně radioaktivního odpadu. A jsou rovněž bezpečnější. „Já říkám, že štěpení je snadné nastartovat a těžké zastavit,“ říká Christofer Mowry, šéf General Fusion, „u fúze je to naopak.“

Fúzi je těžké zahájit, protože to vyžaduje extrémní podmínky. Většina pozemských fúzních reaktorů se snaží zkombinovat deuterium s tritiem. (Obojí jsou izotopy vodíku, v nichž jeden proton v jádru doplňuje buď jeden, nebo dva neutrony.) Protony mají kladný elektrický náboj a stejně nabité částice se odpuzují. Abyste přesvědčili dva atomy, že mají spojit síly, musíte tento odpor překonat. A to vyžaduje velkou spoustu energie.

General Fusion se snaží najít střední cestu mezi dvěma již používanými přístupy – magnetickým udržením řízené fúze (MCF) a inerciálním udržením řízené fúze (ICF) –, přičemž není technologicky zdaleka tak náročná. ITER má MCF reaktor typu tokamak, který tvarem připomíná donut. Má za použití pečlivě řízených vysokointenzitních magnetických polí ohřát vodíkové plazma na stovky milionů stupňů Celsia a potom toto plazma držet ve stabilním stavu, dokud se atomy nespojí. Trik spočívá v tom, že musíte magnetická pole naprosto dokonale nastavit, aby udržela rozžhavenou plazmu pohromadě dostatečně dlouho, aby došlo k dostatečnému množství fúzních reakcí. Dosavadní rekord drží jiný experimentální reaktor ve Francii a činí šest a půl minuty. ITER cílí na reakce trvající až deset minut.

Druhý přístup – ICF – nahrazuje ošidná magnetická pole supersilnými lasery. Při pokusech, které se provádějí například v kalifornské National Ignition Facility, jsou maličké palivové pelety ze všech stran vystaveny pečlivě načasovaným laserovým pulzům, což je zahřívá na teploty podobné těm v MCF reaktorech, zároveň jsou však vystaveny tlaku miliard atmosfér. Díky tomu drtivému tlaku dojde k fúzní reakci podstatně rychleji. Vědci doufají, že se jim jednoho dne v tom nepatrném zlomku vteřiny před tím, než se lasery bombardovaná peleta rozletí na kusy, podaří vyrobit a zachytit užitečné množství energie. Ale opět – dostatečně přesné řízení laserů a vyvíjení rovnoměrného tlaku na peletu jsou nesmírně obtížné.

V tekutém obalu

General Fusion označuje svůj přístup jako „fúzi zmagnetizovaného cíle“. Základní myšlenka se datuje do 60. let minulého století. Firemní reaktor, vysvětluje Mowry, se obejde bez magnetického udržovacího pole, místo nějž používá silné elektrické pulzy, kterými vytváří samostabilizační chomáče plazmy, jež se vstřikují do reaktorového jádra. Je to podle něj, jako když vyfouknete kroužek dýmu a vzdušné proudy uvnitř kruhu mu pomáhají několik vteřin udržet tvar, než se rozplyne.

Plazmové obláčky ve skutečnosti vydrží kolem dvaceti milisekund. To by nestačilo k výrobě velkého množství energie, pokud by se vzápětí vstříkly do MCF reaktoru. Ale je to dostatečně dlouhá doba na to, aby se stačily stlačit. Funguje to úplně stejně jako u ICF a není k tomu zapotřebí nic tak exotického, jako jsou baterie pokročilých laserů. Jádro britského reaktoru firmy General Fusion bude potaženo roztaveným lithiem a olovem. Po vstříknutí plazmy jádro stlačí plynem poháněné písty, změní jeho tvar z válce na kouli a drasticky zvýší rychlost fúze 

Ale zatím k laserové kompresi dochází v pouhých miliardtinách vteřiny, General Fusion potřebuje tisíciny – je to srovnatelné s časy, s nimiž pracují motory s vnitřním spalováním, a na vyladění bohatě stačí schopnosti současné digitální elektroniky. Výhodou by měl být reaktor, jehož výstavba i provoz budou levnější a jednodušší než MCF či ICF.

Kritické množství

První zvláštností je tedy stlačení plazmy, další je obal z tekutého kovu, který má zachytávat energii z reakce. Rozžhavený kov bude procházet tepelným výměníkem a vyrábět páru. Neutrony z fúzní reakce mezitím přemění část lithia na tritiové palivo, které je jinak vzácné a drahé. Nebo by je alespoň jednoho dne přeměnit měly. Demonstrační reaktor firmy General Fusion bude fúzovat jen deuterium s deuteriem, aby se proces zjednodušil.

Společnost přesto doufá, že bude mít už na začátku 30. let k dispozici plnohodnotný komerční reaktor, který dokáže konkurovat ostatním formám výroby elektřiny. Chce se dostat na cenu 50 dolarů za jednu megawatthodinu, čímž by podle Mowryho mohla konkurovat i uhlí. Obnovitelné zdroje mohou být levnější, připouští Mowry, ale zase nedokážou vyrábět nepřetržitě. Fúzní elektrárna by měla ještě jednu výhodu oproti těm stávajícím štěpným, jejichž výrobu nelze rychle zvyšovat a snižovat. Výstupní výkon reaktoru General Fusion půjde až desetinásobně zvyšovat či snižovat pouhou změnou rychlosti otáčení jádra. To by mělo umožnit režim tzv. regulovaného provozu („load-follow“), tedy navýšit výrobu, když jsou ceny elektřiny vysoko, a naopak snížit, když poklesnou.

General Fusion není jedinou firmou, která chce termojadernou fúzi komerčně využít. Letos 8. dubna oznámila konkurenční kalifornská společnost TAE Technologies (založená už v roce 1998), že získala dalších 280 milionů dolarů na výstavbu vlastního předváděcího reaktoru, čímž se investice do jejího projektu vyšplhaly na 1,1 miliardy dolarů. Stejně jako General Fusion pracuje TAE s chomáči samostabilizační plazmy. Na rozdíl od General Fusion chce však elektřinu vyrábět kombinováním vodíku s borem, což je proces, který se odehrává při teplotách několika miliard stupňů Celsia, ale nevyžaduje tak silné radiační odstínění.

Mezi další rivaly General Fusion patří dvě britské firmy, First Light Fusion a Tokamak Energy (obě sídlí v Culhamu), a dvě americké – Commonwealth Fusion Systems a Zap Energy. Ani národní vlády nevsadily všechno na jedinou kartu v podobě ITER. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, německý vládní úřad, se pokouší postavit elektrárnu, jejímž srdcem má být zařízení zvané stelarátor – jedná se o variaci na přístup MCF. Její zařízení Wendelstein-7x se rozběhlo v roce 2015. V roce 2040 chce Culham Centre for Fusion Energy spustit svůj reaktor STEP, a demonstrovat tak komerční využití fúze. Ostatně jedním z důvodů, proč se Kanaďané z General Fusion rozhodli svůj sedmdesátiprocentní předváděcí reaktor stavět právě v Culhamu, je fakt, že se toto výzkumné zařízení snaží poznatky z výzkumu co nejrychleji uvádět na trh.

Stephen Dean, šéf Fusion Power Associates, což je výzkumná a vzdělávací nadace zabývající se termojadernou fúzí, se domnívá, že by některý ze současných komerčních projektů po desetiletích nezdarů skutečně mohl uspět a postavit reaktor, který dokáže produkovat užitečné množství energie. Poslední slovo však bude mít ekonomika, ne fyzika. Špičkové fúzní reaktory, za předpokladu, že se je vůbec podaří sestrojit, budou muset uspět ve světě, kde cena solární a větrné elektřiny soustavně klesá. Společnosti, které vyrábějí elektřinu z fosilních paliv, se navíc snaží vyvinout technologii, která by dokázala zachytit a uložit do země oxid uhličitý vypouštěný do ovzduší jejich elektrárnami. A soukromý kapitál lákají také pokročilé štěpné reaktory – 2. června oznámila společnost TerraPower, za níž mimo jiné stojí i zakladatel Microsoftu Bill Gates, plány na výstavbu hi-tech jaderné elektrárny ve Wyomingu.

Bude to tvrdý konkurenční boj a to je pro ohřívající se planetu dobrá zpráva. Investoři si ale budou muset pevně držet klobouky.

© 2021 The Economist Newspaper Limited
All rights reserved. Publikováno na základě licence s The Economist, přeloženo týdeníkem Hrot.
Originální článek v angličtině najdete na www.economist.com.