Jaderná fúze zvládla průlomový milník

Zmíněný historický okamžik, který potvrdil možnost jednoho ze svatých grálů fyziky, jaderné fúze, nastal 5. prosince v americké National Ignition Facility (NIF) při kalifornském vědeckém ústavu Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). V době, kdy u nás naděloval dárky Mikuláš, tamní vědci úspěšně provedli reakci, při níž vzniklo více energie, než se spotřebovalo. Podařilo se jim poprvé v historii uskutečnit jadernou fúzi, která vyprodukovala 2,5 megajoulu energie, tedy o 20 % více, než kolik bylo potřeba k provedení samotné fúze. Úspěch potvrdili až po několika dnech od jeho dosažení, protože při experimentu byly zničeny některé měřicí přístroje.

Atomová bomba naruby
Jaderná fúze, která by mohla přispět k řešení energetických potřeb lidstva, je opakem jaderného štěpení, na němž je založena atomová bomba. Slučují se při ní (při dosažení určitých fyzikálních podmínek) jádra lehkých atomů (např. izotopů vodíku deuteria a tritia) do jednoho těžšího jádra, přičemž dochází k uvolňování obrovského množství energie, stejně jako při procesech, které se odehrávají v nitru hvězd včetně Slunce. A kýžený zážeh jaderné fúze je okamžik, kdy se reakce stává samovolnou, k čemuž dochází, když energie uvolňovaná fúzními reakcemi ohřívá hmotu paliva rychleji, než ji ochlazují ztrátové mechanismy, takže k ohřevu paliva na fúzní teplotu už není zapotřebí vnější energie. To se mimochodem podařilo výzkumníkům z NIF již loni v létě, ale o úspěšném zážehu informovali až po roce.
Nejde však jen o to, plazma v reaktoru vytvořit, ale také zajistit, aby jeho parametry splnily tzv. Lawsonovo kritérium. To znamená, dosáhnout extrémních hodnot teploty a hustoty plazmatu nebo dlouhé doby udržení energie v plazmatu – případně pokud možno vše.

Dvě cesty k jednomu cíli
Cestou k jaderné fúzní energii jsou dvě rozdílné technologie: princip magnetické fúze (na němž jsou založeny reaktory označované jako tokamak, což je zkratka z ruského názvu toroidní nádoba s magnetickými cívkami), a princip laserové nebo též inreciální fúze, která je základem zařízení použitého v NIF.
Magnetická fúze a zařízení tokamak využívají velmi silné magnetické pole k udržení a izolaci horkého paliva ve stavu plazmatu ohřátého speciálním postupem až na teploty přes 150 mil. stupňů Celsia (což je zhruba desetinásobek teploty uvnitř Slunce) v prstencové vakuové nádobě, aby bylo dosaženo podmínek zážehu termojaderné reakce a poté stavu, kdy by plazma už kontinuálně hořelo a uvolňovalo energii. Vědci se snaží o dlouhodobé udržení energie v plazmatu a extrémní teploty. A už i zde byl dosažen významný pokrok, např. v tokamaku JET, který provozuje EU ve Velké Británii, se loni podařilo generovat v průměru přes 11 MW v kontinuálním režimu po dobu zhruba pěti sekund.
U laserové fúze (což je případ průlomového milníku v NIF) jsou podmínky pro zapálení dosahovány primárně stlačením paliva, jehož komprese vyvolá zážeh a fúzní reakci (ovšem jen během zlomku sekundy, byť rovněž za extrémních teplot přesahujících 130 mil. stupňů Celsia).
Tento typ fúze je zaměřen hlavně na dosažení extrémní hustoty plazmatu a výrobu energie prostřednictvím periodických mikroexplozí. K tomu využívá velmi výkonné lasery (v NIF je to přesně 192 laserů) k prudkému ohřátí malé zmražené kuličky paliva vložené do obří kulovité vakuové komory, kdy povrchová vrstva palivové kuličky prudkým ohřevem exploduje. Díky zákonu akce a reakce se následně zbytek kuličky prudce stlačí, imploduje, čímž v ní dojde k rychlému a extrémnímu navýšení hustoty paliva. Pokud je tato komprese dostatečná, může nastat zážeh fúzní reakce, která ve zlomku sekundy z paliva uvolní energii. Energetický zdroj budoucnosti, tzn. elektrárna využívající laserovou fúzi, by získával – a vyráběl – energii z takovýchto mikrovýbuchů opakujících se několikrát za sekundu.
Většina současných projektů zabývajících se výzkumem jaderné fúze je zaměřena na magnetickou fúzi a tokamaky – ve světě jsou jich už desítky. Nejvýznamnějším projektem tohoto typu je aktuálně výstavba mezinárodního fúzního reaktoru ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) ve Francii. Jde o největší a nejdražší výzkumný projekt svého druhu (stojí v přepočtu přes 600 mld. Kč a podílí se na něm 35 zemí včetně ČR), rozsahem několikanásobně větší než NIF. Areál je téměř dokončen a v reaktorové hale se již skládá samotný fúzní reaktor, a ačkoli jde pořád o výzkumné experimentální zařízení, měl by produkovat desetkrát více energie, než bude do něj vloženo a stát se koncepčním předchůdcem první skutečné fúzní elektrárny.
V současné době je už ze 75 % dokončen, ale původní časový harmonogram, který předpokládal spuštění zkušebního provozu v roce 2023, bude zřejmě ještě revidován a přizpůsoben aktuálním podmínkám (covid, konflikt na Ukrajině apod.), které jej zřejmě zdrží. Jeho úkolem je demonstrovat proveditelnost technologie, která nabízí nevyčerpatelný zdroj energie, ale také řadu výhod.

Slibná technologie, ale ještě ne na dosah
Výhodou jaderné fúzní reakce je její bezpečnost. Jde totiž o tak složitý děj, že pokud nejsou splněny přesně definované procesní podmínky, reakční proces se okamžitě zastaví.
Reakce probíhá v plazmatu (označovaném také jako čtvrté skupenství hmoty), což je v podstatě plyn zahřátý na extrémní teploty, při nichž dojde k odštěpení elektronů od atomového jádra. Palivem pro fúzní reaktory by bylo deuterium, jehož zásoby na Zemi jsou obrovské (je obsažen ve vodě a dá se relativně snadno získat), a tritium (to by se mělo vyrábět přímo ve fúzní elektrárně z lithia, které je rovněž dostupné a zcela bezpečné). Fúze také netvoří klasický radioaktivní odpad. Produktem základní reakce deuteria-tritia je helium, bezproblémový a bezpečný plyn.
Nicméně před výzkumníky je stále ještě řada problémů, které je pro dosažení praktické využitelnosti dosavadních úspěchů a vybudování skutečných fúzních elektráren potřeba vyřešit. Například vliv produktů z fúzní reakce na hořící plazma, systém potlačení plazmatických nestabilit v reaktoru a také vývoj materiálů, jež budou v kontaktu s plazmatem, a musí tudíž zvládnout odolávat extrémním podmínkám.
Jako slibné řešení se rýsují různé slitiny wolframu nebo tzv. technologie tekutých kovů, která zajistí, že se vrstva materiálu v kontaktu s plazmatem v případě jejího poškození dokáže sama obnovit.
Technologie tekutých kovů se bude testovat i v novém českém tokamaku COMPASS-U budovaném v pražském Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Ten je, jak uvedl ředitel ústavu Radomír Pánek, jednou ze zhruba tří desítek laboratoří, které ve světě spolupracují na výzkumu v rámci mezinárodního projektu ITER, jehož cílem je prokázat realizovatelnost velkého množství fúzní energie (500 MW fúzního výkonu) po desítky minut. Tím by se měly ověřit všechny nezbytné technologie včetně výroby paliva uvnitř reaktoru, aby byly elektrárny palivově soběstačné, což je zcela zásadní a jeden z hlavních úkolů projektu ITER.

Petr Přibyl
Foto: DOE

Publikováno: 11. 1. 2023 | Počet zobrazení: 189 50