Máme „svatý grál“ energetiky na dosah?

Jaderná fúze bývá pokládána za „svatý grál“ energetiky. Uniká vědcům po celá desetiletí, ale existují náznaky, že by se sen mohl splnit. Touha rozsvítit umělé Slunce na Zemi se dosud pohybovala v říši fantazie, protože technické překážky byly nepřekonatelné. Až do letošního 8. srpna. 

Máme „svatý grál“ energetiky na dosah?

ABSTRACT: On August 8, 2021, the National Ignition Facility made a major breakthrough in nuclear fusion research, using high-powered lasers to produce 1.3 MJ of energy, albeit for only 100 trillionths of a second. However, neither here, nor in projects such as Tokamak, nor in the ITER project, is commercial use of fusion expected before 2050.


Dnešní jaderné elektrárny vytvářejí energii jaderným štěpením, při kterém dochází k štěpení atomů. Jaderná fúze naopak zahrnuje spojení atomových jader za obdobným účelem – uvolnění energie. Je to stejná reakce, která probíhá v jádru Slunce. Jedná se tak prakticky o neomezený zdroj energie, který neprodukuje skleníkové plyny ani radioaktivní odpad.

Překonání přirozeného odporu mezi atomovými jádry a udržení správných podmínek pro fúzi však není jednoduché. A dělat to způsobem, který produkuje více energie, než kolik sama reakce spotřebuje, to je označováno za nadlidský výkon.

Některé velké technické problémy však byly v posledních několika letech překonány a vlády po celém světě investují peníze do výzkumu energie z jaderné syntézy. V USA, ve Velké Británii, Evropě, v Rusku, v Číně a Austrálii také existuje více než 20 týmů, které soutěží o to, kdo jako první promění sen o výrobě energie z jaderné syntézy ve skutečnost.


ZPRÁVA JAKO BLESK

Jako blesk z čistého nebe zapůsobila letos 8. srpna zpráva z USA, že se v National Ignition Facility (NIF), jež je součástí Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii, podařil zásadní průlom ve výzkumu jaderné fúze: pomocí vysoce výkonných laserů získali 1,3 megajoulu energie, tedy asi tři procenta energie obsažené v 1 kg ropy, i když jen na 100 bi­liontin sekundy. Je to fantastický výkon, protože je to 8násobné zlepšení proti experimentům prováděným letos na jaře a 25násobný nárůst proti rekordnímu výkonu v roce 2018. Nyní se američtí vědci jako první na světě dostali historicky nejblíže k jaderné fúzi, která vytvoří víc energie, než kolik spotřebuje.

Návratnost energie spotřebované lasery dosáhla 70 procent. Jinými slovy, po nepatrný zlomek sekundy se podařilo udržet v chodu fúzní reakci, která spotřebovala jen o třetinu více energie, než kolik jí vyrobila. To je jednoznačně úspěch, ale háček je v tom, že k praktickému využití je třeba účinnost řádově zvýšit, snad stokrát nebo tisíckrát. Laser v Livermore je nyní schopen vystřelit přibližně jednou za den a bylo by potřeba, aby takový výkon opakoval několikrát za sekundu.

I skeptici přiznávají, že srpnové americké výsledky předčily očekávání. Ale přesto je cíl ještě hodně vzdálen. Někteří experti hovoří o dalších 30 letech.
 

Historický záběr z budování desetimetrové reakční komory o hmotnosti 130 tun. Právě do ní se soustřeďují laserové paprsky a útočí na miniaturní kapsli velikosti zrnka písku.
Zdroj: NIF


KDE SE ODEHRÁL EXPERIMENT?

A kde vlastně dosáhli takového úspěchu? V této souvislosti si dovolím být trochu osobní. Z vlastní zkušenosti vím, že navštívit většinu amerických vědeckých a výzkumných pracovišť není pro novináře ze spřátelené ciziny v době míru v zásadě velký problém. Pracovníci tiskových oddělení takových institucí ve snaze vytvářet pozitivní obraz svého zaměstnavatele ve veřejnosti rádi vycházejí žurnalistům vstříc.

Ale i v USA existují místa, kam není tak snadné se dostat. Jedním z nich je právě dějiště zmíněného experimentu, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) v Kalifornii, asi 65 km východně od San Franciska. Laboratoře byly totiž založeny v roce 1952 v rámci amerického státního obranného programu se zaměřením na výzkum a vývoj jaderných zbraní. I když svět prošel v posledním čtvrtstoletí značnými proměnami, vojenské aspekty hrají v činnosti LLNL významnou roli i dnes. Nese jméno amerického atomového fyzika, nositele Nobelovy ceny Ernesta O. Lawrence, který již od roku 1931, kdy řídil sesterskou laboratoř v Berkeley, koncipoval založení laboratoří v Liver­more na východním předměstí San Franciska. Motto ústavu zní: „Naším posláním je udělat ze světa bezpečné místo“.

Denně se o naplnění této vize snaží téměř 6000 zaměstnanců. K tomu jim dopomáhá roční rozpočet ve výši 1,5 miliard dolarů. Zaměřují se na jadernou bezpečnost, na obranu před teroristickými hrozbami, na výzkum atmosféry, na bio- a nanotechnologie, na počítače, na lasery a právě také na výzkum nových energetických zdrojů.

Více než zbraně mne zajímají laserové a energetické programy, a tak se mi přece jen podařilo toto světově proslulé vědecké centrum navštívit díky šťastné shodě okolností. V Lawrence Livermore National Laboratory právě vyráběli nejnovější laser, a to pro Českou republiku. A to byl asi důvod, proč jsem dostal oprávnění ústav navštívit.

Prošel jsem bezpečnostním screeningem v předstihu, několik týdnů před plánovanou návštěvou, a potom ještě přísnou kontrolou těsně před vstupem. Odložil jsem všechna elektronická zařízení, tedy i fotoaparát, diktafon a mobil, označil se příslušnou visačkou a s odborným doprovodem odjel do části ­areálu, kde je postavena budova NIF (National Ignition Facility). Její architektonické řešení i mohutnost nejlépe ukazují snímky doprovázející tuto reportáž.

Při přivítání ve vstupní hale jsem byl, přiznám se bez mučení, trošku dojat. Když jsem totiž v roce 1982 napsal populárně-vědeckou knížku Laser v mnoha podobách, mohl jsem si o podobné exkurzi nechat jenom zdát.

Stál jsem uprostřed největšího laseru na světě. Tedy přesněji, v přízemí desetipatrové haly NIF o rozloze tří fotbalových hřišť a nad hlavou jsem měl 192 laserových paprsků ukrytých v opláštěných koridorech. Není divu, že zde hollywoodští filmaři už několikrát natáčeli atraktivní scény pro sci-fi filmy.

Jak by mne nejímala závrať, když jsem si uvědomil, že tady využívají nejvýkonnější laserový systém na světě k hledání cesty k jaderné fúzi. Tady chtějí rozsvítit Slunce na Zemi.

Viděl jsem řídicí a výpočetní centrum, laboratoře, kde připravují onen příslovečný terčík skrývající obrovskou energii, zesilovací zrcadla a další technologické zázraky.

Jádrem komplexu National Ignition Facility, což se dá volně přeložit jako Národní zapalovač, správně zážehové zařízení, je desetimetrová reakční komora o hmotnosti 130 tun. Právě do ní se soustřeďují laserové paprsky a útočí na miniaturní kapsli velikosti zrnka písku. Jejich spolupůsobením se dá dosáhnout extrémně vysokých teplot a tlaků potřebných k zahájení fúzní reakce. Čtvercové otvory slouží k přívodu laserů, kruhové otvory jsou určeny pro diagnostická zařízení.

Stavba NIF začala v roce 1997, ale problémy s řízením stavby a zpoždění dodávek technického zařízení zpomalily harmonogram. Pokrok nastal po roce 2000, ale průtahy rea­lizaci prodražily. Náklady byly téměř čtyřikrát vyšší než původně rozpočtované. Stavba byla Ministerstvem energetiky označena jako kompletní až 31. března 2009 a první rozsáhlé laserové experimenty zde vědci uskutečnili už v červnu.

O rok později už zdejší vědci oznámili fantastický úspěch. Překročili hranici megajoulu s více než 111 miliony stupni Celsia, když soustředili paprsky všech 192 laserů o velmi vysokém výkonu na speciální pozlacený dutý váleček, ve kterém byla umístěna kapsle s palivem. Obsahovala dva přírodní izotopy vodíku – deuterium a tritium. Tím se více než kdokoli dříve přiblížili těsně k teplotě potřebné pro zahájení termojaderné fúze. Tedy spojení izotopů do větších celků, při němž se uvolňuje nepředstavitelné množství energie. Podobné procesy probíhají běžně ve Slunci a většině hvězd ve vesmíru a jsou zdrojem jejich energie.

Teplota dosažená během několika mi­liardtin vteřiny pomocí velevýkonných laserů vytvořila energii přesahující asi 500krát všechnu podobně vyrobenou energii v USA a 13krát větší, než vyrobila jakákoli jiná skupina laserů kdekoli na světě.

Takový výzkum ovšem vyžaduje obrovské finanční náklady, které si jiné státy mohou jen stěží dovolit. Vědci NIF získali dostatek peněz díky tomu, že se nejedná jen o projekt Ministerstva energetiky, ale také Ministerstva obrany. Tento experiment má totiž také simulovat podmínky při jaderném výbuchu. Připomeňme, že klasické jaderné testy se v USA od roku 1992 neprovádějí, a vojenští experti zde mají možnost ověřovat si své matematické modely.

Lawrence Livermore National Laboratory spolupracuje s řadou podobných vědeckých pracovišť v USA, ale také v dalších částech světa. V rámci Evropské unie k nim patří především vědecké centrum ELI Beamlines v Dolních Břežanech nedaleko Prahy. Dodávka v hodnotě 1,2 miliardy korun (46 milionů dolarů) byla totiž zajímavá i pro americkou stranu.

Samozřejmě srpnovým experimentem se výzkumné a vývojové práce v Livermore nezastavily. Možná dokonce získaly na intenzitě a nové výsledky se čekají v dohledné době. Bude to další krůček k jaderné fúzi.

Američtí vědci pracující v oblasti fúze, proslulí v odborném světě hádkami o to, které projekty má financovat stát, se spojili kolem odvážného cíle. Je jím desetiletý plán, který předložili federálnímu poradnímu výboru pro vědy o energii z jaderné syntézy. Vyzývá Ministerstvo energetiky (DOE), hlavního sponzora amerického fúzního výzkumu, k přípravě výstavby prototypu elektrárny ve 40. letech 21. století, která by vyráběla elektřinu bez uhlíku využitím jaderného procesu pohánějícího Slunce.


Celkem 192 výkonných laserových paprsků směřuje na miniaturní cíl.
Zdroj: NIF


TAKOMAK JAKO KONKURENCE

Navzdory působivým výsledkům experimentu nejsou lasery v National Ignition Facility některými odborníky považovány za nejvhodnější pro použití v elektrárně s jadernou fúzí. Za slibnější cestu považují získávání energie pomocí supervýkonných magnetů v Tokamaku. To je zařízení, jehož základem je toroidální magnetické pole, používané jako magnetická nádoba pro uchovávání vysokoteplotního plazmatu. Slovo pochází z ruštiny, kde Токамак je zkratkou popisu тороидальная камера с магнитными катушками (toroidní komora v magnetických cívkách).

U jeho zrodu stál sovětský vědec Igor Kurčatov, který tehdy za asistence sovětské tajné policie vedl kolektiv vynikajících fyziků, pracujících na vývoji atomových zbraní. V roce 1951 napsal dopis sovětskému diktátorovi Stalinovi, ve kterém popisoval principy termojaderné fúze. Vycházel z podnětů několika dalších vědců, včetně otce vodíkové bomby A. Sacharova. Nikdo na světě se o tom však nedozvěděl. Dopis byl teprve nedávno objeven v archivu KGB a odtajněn.

Při vývoji sovětské vodíkové bomby navrhli Andrej Sacharov a Igor Tamm reaktor s řízenou termonukleární fúzí označovaný jako „TOKAMAK“, což byl původně tajný projekt. Teprve po Stalinově smrti mohl Kurčatov v roce 1956 navštívit britský Ústav atomového výzkumu v Harwellu a ve své přednášce seznámit světovou vědeckou veřejnost s některými poznatky z výzkumu termojaderné fúze.

To byl jistě silný impuls pro světovou vědeckou komunitu i politické elity. Vývoj termojaderné fúze se rozběhl v několika zemích. Například DIII-D je tokamak, který od konce 80. let minulého století provozuje společnost General Atomics v kalifornském San Diegu pro americké Ministerstvo energetiky. Má za cíl vytvořit vědecký základ pro optimalizaci tokamakového přístupu k získávání energie z fúze. Nese název DIII-D, protože plazma má tvar písmene D, což je tvar, který je nyní široce používán v moderních konstrukcích známých jako „pokročilé tokamaky“. 

DIII-D je jedním ze dvou velkých experimentů s magnetickou fúzí v USA. Druhým je tokamak NSTX-U v laboratoři PPPL (Princeton Plasma Physics Laboratory), spravovaný Princetonskou univerzitou. V současné době se reaktor modernizuje a do provozu má být opět uveden v příštím roce. Jednou z jeho priorit bude zjistit, zda obložení reaktoru lithiem pomůže udržet plazmu stabilní.

Tato experimentální zařízení jsou zaměřena na výzkum a vývoj termojaderné fúze v kooperaci s projektem ITER, který je navržen tak, aby demonstroval samonosnou hořící plazmu, jež vyrobí 10krát více energie z fúzních reakcí, než kolik potřebuje k ohřevu. Ovšem konečným cílem je ekonomicky výhodná fúzní elektrárna.


Takto vypadala letos v říjnu stavba tokamaku ITER ve Francii.
Zdroj: ITER


ITER JE CESTA S PROBLÉMY

V této souvislosti připomeňme jako historický mezník setkání amerického prezidenta R. Reagana a sovětského lídra M. Gorbačova v Ženevě v listopadu 1985, kde se dohodli na projektu mírového využívání termojaderné fúze. Třeba ovšem dodat, že Sovětský svaz už ekonomicky nemohl vydržet závody ve zbrojení a potřeboval mediální úspěch. Tak se zrodil megaprojekt ITER.

Koncepční práce však začaly až v roce 1988 a konstrukční řešení schválili členové v roce 2001. Na projektu ITER (anglicky Interna­tional Thermonuclear Experimental Reactor, Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor; a latinsky Iter – cesta) se podílejí Evropská unie, Rusko, USA, Japonsko, Čína, Indie a Jižní Korea. Dohoda o jeho vybudování byla podepsána v roce 2006. Evropské státy poskytují 50 % finančních prostředků, Rusko přispívá kolem 10 % celkové sumy, které budou investovány ve formě dodávek zařízení.

Výstavba areálu o rozloze 42 hektarů začala v roce 2007 v Cadarache v jižní Francii. Samotný obří reaktor bude vážit 23 000 tun. Pro výrobu elektřiny z plazmatu se palivo ve formě izotopů vodíku musí zahřát až na asi 150 milionů °C. Je zapotřebí řady nejmodernějších technologií v oborech, jako jsou supravodivé magnety, kryogenika, vakuum, diagnostika, řízení a plazmový ohřev.

ITER využívá supravodivé magnety k omezení plazmatu (toroidní cívky) a udržení jeho tvaru a stability (poloidní cívky). K oddělení plazmy z kontejnmentové nádoby bude použita magnetická klec. Při napájení 68 000 A může magnetické pole dosáhnout 11,8 Tesla, což je téměř 250 000krát více než magnetické pole Země. Každý magnet je velký 17 × 9 metrů a váží 320 tun.

Krásné představy, ale…Původní cena výstavby činila 5 miliard eur a samotná stavba pak měla být dokončena v roce 2016!

To byly smělé plány. Realita je horší. Dokončení projektu se dále odkládá. „Nemůžeme dodržet termín 2025,“ přiznal generální ředitel ITER Bernard Bigot na společné tiskové konferenci s eurokomisařkou pro energetiku Kadri Simsonovou, pocházející z Estonska. Reaktor je zatím hotový jen z poloviny. Výroba plazmatu potřebného pro jadernou fúzi není technicky možná. Jedním z důvodů je koronavirová pandemie a s ní spojené zpoždění dodávek komponent. Navzdory neúspěchu je Bigot přesvědčen, že do roku 2035 bude schopen prokázat, že výroba elektřiny prostřednictvím jaderné fúze je možná. Zpoždění však znamenají i neplánované dodatečné náklady. Dozorčí orgán jej pověřil předložením revidovaných nákladů a harmonogramu do listopadu 2022.

Ředitel Bigot oznámil, že financování dodatečných nákladů bude muset být znovu projednáno mezi zeměmi, účastnícími se projektu. Projekt už v posledních letech spolykal miliardy a opakovaně se oddaloval. Prý třikrát víc než se původně uvažovalo. Stále však existují příznivci. V nedávném novinovém rozhovoru Robert Wolf z Max Planck Institute for Plasma Physics uvedl, že jaderná fúze jednoho dne přispěje k dodávkám elektřiny. Kvůli mnoha nepředvídatelným skutečnostem to však neočekává dříve než dlouho po roce 2050.

Tomáš Brejcha

Související články

Společnost EDF uspíší termín vyřazení JE Heysham 2 a Torness z provozu

Pokročilé plynem chlazené britské reaktory Heysham 2 a Torness (AGR) mají ukončit výrobu elektrické energie v roce 2028. To je o d…

Itálie pošilhává po jádru. Rostoucí ceny elektřiny začínají děsit obyvatele

Itálie bývala v Evropě průkopníkem jaderné energetiky, po haváriích v Černobylu a Fukušimě naopak stanula v čele těch zemí, které…

Krach, nebo převrat? Na solární trh má dorazit novinka, tajemné perovskity

Levnější energii ze Slunce má nabídnout nová technologie výroby panelů, která se má rozjet v Německu i v Polsku a využívá sloučeni…

Nejbohatší člověk v Asii chystá rozsáhlé investice do zelené energie

Mukeš Ambani, což je nejbohatší člověk v Indii i v celé Asii, investuje v západoindickém státě Gudžarát šest bilionů rupií (1,7 bi…

Akcie francouzské EDF prudce klesly, vláda žádá levnou jadernou energii rivalům

Akcie francouzské energetické společnosti EDF dnes dopoledne klesly až o 25 procent. Francouzská vláda totiž podniku nařídila, aby…

Kalendář akcí

Bezpečnost vyhrazených technických zařízení a prováděcí předpisy

18. 01. 2022 08:45 - 12:15
U Plynárny 223/42, 140 00 Praha 4
Školení je určeno pro vlastníky a provozovatele plynových kotelen, odběratele zemního plynu, stavebně montážní organizace, revizní technik...

Ekologie a její budoucnost

27. 01. 2022 08:30 - 12:30
Hotel Voroněž, Křížkovského 47, Brno
Předmět diskuze: Nový zákon o odpadech, nový Operační program Životní prostředí, nová data o odpadech (Ing. Jan Maršák, ředitel Odboru odpadů, Mini...

Diskuzní fórum na PKO a projektování PKO při výstavbě plynovodů 2022

27. 01. 2022 08:45 - 14:35
online
Diskuzní fórum je určeno pro technické a provozní pracovníky plynárenských společností, zástupce stavebních společností, zástupce proje...

Monitoring maloobchodního trhu s elektřinou a plynem

27. 01. 2022 15:00 - 19:00
online
Hned v lednu zve ERÚ na webinář k monitoringu maloobchodního trhu s elektřinou a plynem. On-line seminář proběhne ve čtvrtek 27. ledna 2022 od 15:00 h...

Partneři portálu

ENERGY-HUB je moderní nezávislá platforma pro průběžné sdílení zpravodajství a analytických článků z energetického sektoru. V rámci našeho portfolia nabízíme monitoring českého, slovenského i zahraničního tisku.

65746
Počet publikovaných novinek
1983
Počet publikovaných akcí
742
Počet publikovaných článků
ENERGY-HUB využívá zpravodajství ČTK, jehož obsah je chráněn autorským zákonem.
Přepis, šíření či další zpřístupňování jakéhokoli obsahu či jeho části veřejnosti je bez předchozího souhlasu výslovně zakázáno.
Drtinova 557/10, 150 00 Praha 5, Česká republika