Nevyčerpatelný zdroj energie je blízko, říká vědec. Během jaderné fúze vybuchují mikroatomovky

Kalifornští vědci učinili zásadní průlom v jaderné fúzi a přibližují tak lidstvo novému typu reaktoru. Radomír Pánek vysvětluje, kam se výzkum posouvá.

Jiří SvobodaJiří Svoboda

weekly_podcast_template-1

Foto: Archiv RP / CzechCrunch

Fyzik Radomír Pánek byl hostem podcastu Weekly

Je to na první pohled prostý fyzikální proces, při kterém se spojí dva různé izotopy vodíku. Vznikne tak helium, jeden neutron, ale především hromada explozivní energie. Právě to se skrývá za magickým pojmem jaderná fúze. Vědcům z kalifornské státní laboratoře se z ní tento týden povedlo vůbec v poprvé v historii získat víc energie, než do procesu dali. Zpřístupnili tak možná svatý grál fyziky, který přibližuje lidstvo přinejmenším k novému typu jaderného reaktoru. V lepším případě ale možná až nevyčerpatelnému zdroji energie.

Na dálku jejich úspěch pozoroval také docent Radomír Pánek, ředitel Ústavu fyziky plazmatu v Akademii věd ČR. Sám se věnuje výzkumu jaderné fúze, mimo jiné i v rámci vedení mezinárodního projektu ITER, který má za cíl právě tento fyzikální proces naškálovat tak, abychom v budoucnu i v distribuční síti měli palivo ze stejné reakce, díky níž fungují ve vesmíru i hvězdy.

„Výhoda reakce nastane ve chvíli, kdy ji dokážeme přetavit do té budoucí elektrárny. Paliva pro ni máme prakticky neomezené množství,“ vysvětluje Pánek jeden z hlavních pozitivních aspektů oproti dnešním jaderným reaktorům. Palivo na rok do generátoru o velikosti Temelína by se prý vešlo klidně do jedné dodávky. Co ale ještě uvedení do provozu stojí v cestě? A jaké jsou dvě cesty, jak k tomu může dojít?

Právě čtete upravenou verzi rozhovoru s Radomírem Pánkem, který jsme natočili pro podcast Weekly. Společně s dalšími zprávami týdne si ho můžete pustit na SpotifyGoogle Podcasts a Apple Podcasts. K dispozici je i na cc.cz/podcasty a v přehrávači níže.


Pro začátek a osvěžení, co je to vlastně jaderná fúze a proč je důležitá?
V podstatě máme dva způsoby, jak získat energii z atomového jádra. Ten první je, jak ho známe z dnešních jaderných elektráren, tedy rozštěpení jádra těžkého, jako je uran nebo plutonium, na dvě lehčí. Tohle je proces, který má výhody, ale má také řadu nevýhod. Jako je produkce vysoce radioaktivního odpadu, který se pak musí mnoho století skladovat. Oproti tomu je tu i druhý způsob – a to je právě termojaderná fúzní reakce. Spočívá ve sloučení jader lehkých atomů, typicky vodíku. Přinutit sloučit jádra těchto atomů ale není triviální, protože obě mají kladný náboj, odpuzují se. Na to, abychom dosáhli toho sloučení, jim musíme udělit velkou energii. Výsledkem je ještě více energie.

Co to znamená v praxi? Proč se vlastně o uskutečnění jaderné fúze vědci snaží?
Hlavním důvodem jsou výhody, které nastanou ve chvíli, kdy jadernou fúzi dokážeme přetavit do budoucí elektrárny. Výhodou je, že paliva pro ni máme prakticky neomezené množství. Ta první elektrárna bude využívat izotopy vodíku, kterým se říká deuterium a tricium. Deuterium je všude kolem nás ve vodě. Tricium bude ve fúzních reaktorech vyráběné z lithia. Obojího ale bude potřeba extrémně malé množství.  Třeba reaktor o výkonu jednoho gigawattu, tedy třeba Temelína nebo Dukovan, bude na rok provozu potřebovat palivo, které by se vešlo do jedné dodávky.

Druhá výhoda pak je, že ty reaktory budou vnitřně bezpečné. Podmínky, kterých musíme dosáhnout na to, aby reakce probíhala, jsou natolik extrémní, že pokud by se v tom reaktoru dělo cokoliv neočekávaného, tak to plazma okamžitě samo zhasne. Takže tam nemůže prakticky dojít k nějaké havárii.

Americké zařízení NIF, kde teď došlo k tomu zásadnímu průlomu, existuje už 13 let. Co přesně se mu tedy povedlo teď? Proč jde o tak zásadní milník?
Na to je potřeba si nejdříve říct, že ta reakce probíhá všude kolem nás. Všechny hvězdy jsou jí poháněné a my bychom rádi v pozemských podmínkách tedy vytvořili něco jako pozemské Slunce. Fúzní reakce probíhá v plazmatu, čtvrtém skupenství hmoty, a pohromadě nám ji ve vesmíru drží silná gravitační síla. To je něco, co v pozemských podmínkách nemůžeme využít a musíme vyvinout jiný způsob. Jsou dva hlavní koncepty: ten první, nejpokročilejší, využívá magnetické pole. Když v takzvaných tokamacích (tedy komorách, kde se magnetické pole tvoří – pozn. red.) dokážeme magnetické pole vytvořit v určitém tvaru, tak dokážeme udržet to plazma o teplotě až 150 milionů stupňů izolované od svého okolí. A pak v něm v principu může probíhat termonukleární reakce.

panek1

Foto: Archiv RP

Radomír Pánek, vědec z Ústavu pro fyziku plazmatu AV ČR

Druhý přístup se nazývá inerciální, neboli laserová fúze. Do velké vakuové komory strčíme doprostřed zmraženou kuličku paliva – deuteria a tricia – a tu se snažíme ozářit ze všech stran lasery. V momentě, kdy ji ozáříme, její povrch se velmi rychle zahřeje a exploduje. Ze zákona akce a reakce pak vychází, že vnitřek kuličky musí implodovat, zhroutit se. A pokud dosáhneme díky implozi dost velké hustoty kuličky, tak se spustí termonukleární reakce a uvolní energii, kterou posbíráme po stěnách vakuové komory. Takže je to v podstatě mikro-atomová bomba. V budoucí elektrárně budou takové reakce probíhat opakovaně, několikrát za sekundu. No a vědcům v Kalifornském státním ústavu se teď podařilo stlačit kuličku tak, aby se při té následné explozi uvolnilo více energie, než je množství, které potřebují k samotnému stlačení.

Ono to možná na první dobrou může být kontraintuitivní, že když někam vložím určité množství energie, tak jí z toho vzejde víc. Jak je tohle možné?
Je to díky té vazebné energii, která je uložená v jádru atomu. Uvolní se právě ve chvíli, kdy nám z těch dvou lehkých jader vznikne jedno těžší. Rozdíl vstupní a výstupní energie pak můžeme využít pro další účely.

Doposud byl hlavní problém celé reakce její udržení nad rámec několika milisekund, protože je velmi nestabilní. Podařilo se v tomhle směru nějak za poslední dobu postoupit?
Záleží na tom, o jakém z těch dvou konceptů se bavíme. V případě laserové fúze je to udržení doopravdy ještě mnohem kratší. Kalifornštní kolegové ukázali, že je fyzikálně možné tu kuličku stlačit takovým způsobem, že produkuje zisk energie. Takže je zlom v tom, že tento koncept funguje, ale v jeho případě je ještě dlouhá cesta k využitelnosti pro budoucí elektrárnu.

Ale pokud se bavíme o magnetické fúzi, o tokamacích, tak v nich dokážeme udržet plazma i několik hodin a jsou tedy výrazně blíže realizaci fúzní elektrárny. V tomto směru teď probíhá další klíčový krok. A to je realizace projektu ITER. Je to obrovský areál v jižní Francii, který můžeme přirovnat k jaderné elektrárně. Jeho cílem, na kterém se podílí celý rozvinutý svět, je ukázat, že dokážeme produkovat velké množství energie z fúze. Mělo by to být až 500 MW po dobu několika desítek minut.

tokamak

Přečtěte si takéNevyčerpatelný zdroj je o krok blíže. Vědci poprvé provedli jadernou fúzi se ziskem energie

Jsme tedy opravdu blízko nějakému nevyčerpatelnému zdroji energie?
Myslím, že jsme poměrně blízko, respektive každým rokem se tomu blížíme více a více. Nicméně stavba takových velkých zařízení, jako je ITER, trvá poměrně dlouho. Konstruuje se už od roku 2006 a bude dokončen v příštích několika letech. Je to podobně komplikované jako třeba stavět klasickou jadernou elektrárnu.

Teď je hlavní krok dokončení ITERu a ověření technologií na něm, což se nám blíží každým rokem. Pak následuje ještě jeden krok, a to je stavba prototypu fúzní elektrárny. Ta by se měla začít stavět někdy kolem roku 2035, dokončena by mohla být někdy ke konci 40. let. A pokud bude vše fungovat, jak by mělo, tak bychom se mohli kolem roku 2050 dočkat první energie z fúzní reakce v distribuční síti. Může se to zdát jako dlouhá doba, ale u staveb takto velkých zařízení to takhle je.

Vy jste profesí fyzik. Jaké jsou tedy další kroky na akademické půdě ve výzkumu jaderné fúze? Co se vlastně bude dít dál?
Jeden zásadní milník už se podařil loni na tokamaku JET poblíž britského Oxfordu, když se zhruba po dobu pěti sekund podařilo vygenerovat asi 12 MW z fúzní reakce. Tedy zhruba 60 MJ energie při reakci, kterou jsme dokázali dobře kontrolovat, což je zásadní. Paralelně k ITERu probíhá výzkum v laboratořích. V rámci Evropy existuje několik experimentálních tokamaků, z čehož jeden je nebo byl v našem ústavu. Ten jsme asi před rokem zavřeli. V současné době stavíme nové a pokročilejší zařízení.