Ve Francii roste největší fúzní reaktor světa – ITER. Tento mezinárodní projekt má dokázat, že jaderná fúze, proces napodobující energii hvězd, může být stabilním a čistým zdrojem energie pro budoucnost bez emisí a odpadu.
Největší vědecké mocnosti nyní investují do řešení, která se ještě před několika desetiletími zdála nedosažitelná. Kromě debat o tradičních obnovitelných zdrojích energie nebo o budoucnosti jaderného štěpení probíhá tichý závod o zvládnutí technologie, která napodobuje fungování hvězd. Nejedná se o okamžitý příslib pro domácnosti, ale o výzkumnou infrastrukturu, která má odpovědět na jednu z nejambicióznějších otázek lidstva: jak vyrábět hojnost energie, aniž bychom ničili životní prostředí.
Souběžně se zaváděním solárních a větrných elektráren a nových baterií vlády a soukromé společnosti investují miliardy dolarů do jaderné fúze. Mezinárodní energetická agentura odhaduje, že pro splnění globálních klimatických cílů bude nutné kombinovat obnovitelné zdroje s dosud vyvíjenými nízkoemisními technologiemi, včetně jaderné fúze, která by mohla hrát klíčovou roli v druhé polovině tohoto století.
ITER: Experiment, který se snaží napodobit Slunce
Projekt se nazývá ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) a nachází se v Cadarache v jižní Francii. Jedná se o největší experiment s jadernou fúzí, jaký byl kdy postaven, řízený mezinárodním konsorciem zahrnujícím Evropskou unii, Spojené státy, Japonsko, Jižní Koreu, Indii, Čínu a Rusko. Tyto země dohromady tvoří přibližně polovinu světové populace a přibližně 85 % světového HDP. Projekt je největším experimentem v oblasti jaderné fúze, který byl kdy postaven.
Související článek
Po více než dvou desetiletích projektování a plánování vstoupil reaktor do jedné z nejchoulostivějších fází: do finální montáže svého jádra. Komplex ITER zabírá plochu podobnou asi 250 fotbalovým hřištím a vyžádal si výstavbu specifických budov pro každý subsystém: od kryogenického zařízení, které chladí magnety, až po montážní budovu, kde se montují obří části reaktoru.
V posledních měsících byla zahájena instalace hlavních částí komory, kde bude vznikat plazma, tedy stav hmoty, v němž se atomy ionizují (elektrony se oddělují od jader) a vznikají nabité částice. V reaktoru ITER by tato plazma měla dosahovat teplot téměř 150 milionů stupňů Celsia, což je mnohem více než ve slunečním jádru, kde se teplota pohybuje kolem 15 milionů stupňů. Důvod je jednoduchý: na Slunci pomáhá obrovský gravitační tlak slučovat jádra, na Zemi, kde tento tlak chybí, je třeba kompenzovat mnohem vyšší teploty.
Srdcem reaktoru je takzvaná vakuová nádoba, obrovská ocelová komora ve tvaru torusu (dutý „koblížek“), která se skládá z devíti kolosálních částí, jež do sebe musí zapadat s milimetrovou přesností. Každý z těchto modulů váží řádově 500 tun a celková hmotnost přesahuje 4 000 tun, což z něj činí jednu z nejtěžších a nejsložitějších konstrukcí, které kdy byly postaveny pro vědecké účely. Bude také obsahovat přikrývky, struktury, které pohlcují neutrony vznikající při fúzi a pomáhají získávat teplo.
Instalaci provádí společnost Westinghouse Electric Company, která má zakázky v hodnotě více než sto milionů dolarů, spolu s dalšími evropskými a asijskými společnostmi odpovědnými za různé komponenty. Při montáži se používají vysoce přesné roboty, laserové měřicí systémy a kontrola konstantních tolerancí, protože jakákoli odchylka by mohla ohrozit stabilitu plazmatu v provozu. Přípustná chyba u některých dílů je menší než tloušťka listu papíru.
ITER není komerční elektrárna, ale téměř plnohodnotný experiment. Jeho deklarovaným cílem je vyrobit během několikasetsekundových pulzů nejméně desetkrát více fúzní energie, než je energie vstřikovaná do plazmatu: 500 megawattů fúzního výkonu z 50 megawattů výkonu ohřevu. Tento poměr, známý jako Q, by znamenal historický milník ve výzkumu jaderné fúze.
Jak se na Zemi „rozsvítí“ umělá hvězda
Na rozdíl od dnešních jaderných elektráren, které fungují na principu štěpení (rozpadu těžkých atomů), je fúze založena na spojování jader lehkých atomů, především vodíku. Při tomto procesu se uvolňuje obrovské množství energie a jedná se o stejný proces, který pohání hvězdy.
ITER bude používat směs dvou izotopů vodíku: deuteria a tritia. Deuterium se přirozeně vyskytuje v mořské vodě, zatímco tritium je radioaktivní a musí se vyrábět ve speciálních reaktorech nebo v budoucnu uvnitř samotných fúzních reaktorů pomocí lithiových dek. Při fúzní reakci deuteria a tritia vzniká jádro helia (částice alfa), vysoce energetický neutron a velké množství tepla.
Aby byla fúze na Zemi možná, musí být plazma omezeno, aniž by se dotýkalo pevného povrchu. ITER toho dosáhne pomocí extrémně silných magnetických polí generovaných supravodivými magnety, které vytvoří jakousi „neviditelnou klec“ schopnou udržet plazma v závěsu. Tento typ zařízení je známý jako tokamak, což je konstrukce původně vyvinutá v Sovětském svazu v 50. letech 20. století, která je nyní světovým etalonem ve výzkumu magnetické fúze.
Magnety ITER jsou samy o sobě technologickým úspěchem. Toroidní magnety, které obklopují vakuovou komoru, jsou vysoké asi 17 metrů a každý váží přibližně 360 tun. Jsou vyrobeny ze supravodivých materiálů, které fungují pouze při teplotách blízkých absolutní nule, takže musí být udržovány při teplotě kolem -269 °C pomocí kryogenního systému s kapalným héliem. souběžně s tím se používají tisíce tepelných senzorů, které měří teplotu vakuové komory.
Souběžně budou tisíce tepelných a magnetických senzorů sledovat chování plazmatu v reálném čase, zatímco bezpečnostní systémy jsou připraveny okamžitě odstavit reaktor v případě jakékoli nestability. Řízení plazmatu se opírá o pokročilé algoritmy a fyzikální modely běžící na superpočítačích, které jsou schopny předpovídat a korigovat turbulence ve zlomcích sekundy.
K dosažení a udržení teploty 150 milionů stupňů bude ITER kombinovat několik technik ohřevu: vstřikování vysokoenergetických neutrálních částic, radiofrekvenční vlny a vysoce výkonné mikrovlny. Každý systém působí na plazma jiným způsobem, jako by „míchal“ a „tlačil“ nabité částice, dokud nedosáhnou energie potřebné k fúzi.
Inženýrství na hranici možností
Řízení plynu, který je desetkrát žhavější než jádro Slunce, je extrémní inženýrství. ITER si vynutil vývoj nových technologií v oblasti supravodivosti, kryogeniky, přesné robotiky a materiálů odolných proti záření. Celý systém je navržen tak, aby fungoval koordinovaně, přičemž selhání jediné části by mohlo ovlivnit celý systém.
Budova, v níž se tokamak nachází, je navržena tak, aby odolala zemětřesení, extrémním větrům a možným vnitřním nehodám. Železobetonová konstrukce má stěny silné až 1,5 metru a je podepřena antiseismickou deskou, která rozkládá vibrace. Kromě toho je prostor obklopen mnoha fyzickými a administrativními bezpečnostními bariérami, podobnými těm, které jsou v konvenčním jaderném zařízení.
Obrovská je také logistika. Mnoho součástí ITER se vyrábí na různých kontinentech a přepravuje se po moři a po silnici po speciálně upravené trase na jihu Francie se zesílenými mosty a upravenými kruhovými objezdy, které umožňují průjezd součástek o hmotnosti až 800 tun.
Přestože ITER nebude vyrábět elektřinu pro rozvodnou síť, jeho úkolem je prokázat, že fúze může zůstat stabilní, bezpečná a energeticky účinná po dlouhou dobu. V případě úspěchu připraví půdu pro budoucí demonstrační reaktory, známé jako DEMO, které budou navrženy tak, aby vyráběly elektřinu nepřetržitě.
Výhody a problémy jaderné fúze
O jaderné fúzi se často hovoří jako o „energii budoucnosti“, a to z několika důvodů:
- Téměř nevyčerpatelné palivo: deuterium se získává z mořské vody a lithium na výrobu tritia je v zemské kůře relativně hojné. Teoreticky by několik gramů fúzního paliva mohlo vyprodukovat tolik energie jako tuny uhlí.
- Žádné emise CO2 během provozu: fúzní reakce neprodukuje žádné skleníkové plyny, což z ní činí velmi atraktivní možnost boje proti změně klimatu.
- Lépe zvládnutelný radioaktivní odpad: Na rozdíl od štěpení jaderné syntézy nevzniká při fúzi odpad s dlouhou životností, jako je plutonium. Materiály aktivované neutrony se stávají radioaktivními, ale jsou navrženy tak, aby se jejich aktivita rozpadla v průběhu několika desetiletí, nikoliv tisíců let.
- Vnitřní bezpečnost: fúzní reakce je obtížně udržovatelná. Pokud se něco pokazí, plazma se ochladí a reakce se sama zastaví. Nekontrolovaná řetězová reakce jako při štěpné havárii není možná.
Výzvy však zůstávají obrovské. Udržet stabilitu plazmatu při tak extrémních teplotách po dobu několika minut nebo hodin je fyzikální a technický problém, který dosud nebyl zcela vyřešen. Kromě toho jsou tato zařízení velmi nákladná na stavbu a provoz a stále není jasné, kdy bude fúze schopna ekonomicky konkurovat ostatním zdrojům energie.
Samotný projekt ITER má značná zpoždění a překračuje náklady. Projekt, který byl původně koncipován v 80. letech 20. století, se musel přizpůsobit novým bezpečnostním předpisům, změnám v konstrukci a technickým potížím. Jeho celkové náklady se nyní odhadují na desítky miliard eur a financují je především členské země konsorcia.
ITER a zbytek ekosystému jaderné syntézy
ITER není osamocený. V posledních letech se objevily desítky soukromých iniciativ, které usilují o vývoj menších a rychleji postavitelných fúzních reaktorů. Společnosti jako Commonwealth Fusion Systems, TAE Technologies nebo General Fusion zkoumají alternativní konstrukce a využití vysokoteplotních supravodivých magnetů s deklarovaným cílem připojit své první komerční prototypy do sítě během několika příštích desetiletí. Ve veřejné sféře nejsou laboratoře jako ITER a zbytek fúzního ekosystému ITER osamoceny.
Ve veřejné sféře laboratoře jako JET (Joint European Torus) ve Velké Británii, korejský tokamak KSTAR nebo čínské zařízení EAST překonaly rekordy v teplotě a době udržení plazmatu. V roce 2022 se v JET podařilo vyrobit 59 megajoulů fúzní energie v pětisekundovém pulzu, což dokazuje, že je možné udržet reakci déle než v předchozích experimentech.
Další milník přišel v roce 2022 z Lawrence Livermore National Laboratory v USA, kde se v experimentu s inerciální fúzí – s využitím výkonných laserů místo magnetů – poprvé podařilo dosáhnout čistého přírůstku energie v palivové kapsli. Ačkoli se jedná o konfiguraci velmi odlišnou od experimentu ITER, výsledek potvrdil, že fúze může za kontrolovaných podmínek překročit hranici „čisté kladné energie“.
ITER v tomto kontextu stojí v centru mezinárodního výzkumu magnetické fúze. Jeho velikost a složitost umožňují testovat technologie, které lze následně zvětšit nebo přizpůsobit kompaktnějším konstrukcím. Kromě toho projekt funguje jako celosvětová škola pro inženýry, fyziky a techniky, kteří zde získávají odborné znalosti potřebné pro příští generaci reaktorů.
Kdy se fúze dostane do zásuvky?
Nevyhnutelnou otázkou je, kdy se dočkáme fúzní elektřiny v elektrické síti. Odhady se různí, ale většina mezinárodních organizací klade příchod prvních komerčních demonstračních zařízení zhruba do poloviny století, pokud projekty jako ITER splní své cíle. Oficiální harmonogram ITER předpokládá první komerční demonstrační zařízení v polovině století.
Oficiální harmonogram ITER předpokládá první fázi provozu s vodíkovým plazmatem a heliem, po níž budou v příštím desetiletí následovat kampaně s deuteriem a tritiem. Na základě získaných výsledků budou navrženy reaktory DEMO, jejichž výstavba by mohla být zahájena ve 30. nebo 40. letech 21. století. Cílem těchto zařízení by byla trvalá výroba několika gigawattů elektrické energie, srovnatelná s dnešními velkými tepelnými nebo jadernými elektrárnami.
Mezitím se bude přechod na novou energetiku nadále opírat o již dostupné technologie: obnovitelné zdroje, skladování, účinnost a v některých zemích i jaderné štěpení. Fúze není okamžitým zázračným řešením, ale je dlouhodobou strategickou sázkou na to, že v druhé polovině 21. století budeme mít k dispozici čistý, bezpečný a prakticky nevyčerpatelný zdroj energie.
ITER je svým způsobem pokusem o schopnost lidstva spolupracovat. Spojuje bývalé geopolitické rivaly kolem společného cíle: naučit se zapínat, ovládat a vypínat „slunce“ na Zemi, aniž by byla ohrožena planeta, na které se nachází. Pokud se to podaří, bude to nejen důkazem proveditelnosti jaderné fúze, ale také toho, že je možné řešit hlavní energetické výzvy prostřednictvím společné vědy a mezinárodní spolupráce.