Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi

Levný, ekologický a neomezený zdroj energie. To je termojaderná fúze. Podle vyjádření amerických vědců z Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii znamená výsledek jejich experimentů v této oblasti historický průlom. Díky jaderné fúzi totiž poprvé získali větší množství energie, než do pokusu vložili. Vyhráno však ještě nemají. Co pokrok v bádání znamená pro další výzkumy a jaké překážky musí ještě odborníci překonat? V rozhovoru odpovídá Radomír Pánek z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.

Zlomový moment ve výzkumech termojaderné fúze ohlásili američtí vědci a političtí reprezentanti na tiskové konferenci 13. prosince 2022. Podle jejich vyjádření se triumf vědy a techniky a jeden z nejpůsobivějších vědeckých výkonů jednadvacátého století odehrál 5. prosince na výzkumném zařízení National Ignition Facility (NIF) v laboratořích Lawrence Livermore National Laboratory v americké Kalifornii. Řízený fúzní experiment poprvé v historii vyprodukoval více energie, než se do něj vložilo. Při vynaložení 2,05 MJ energie získali vědci 3,15 MJ.

Cesta od tohoto výsledku k fungující fúzní elektrárně je ale pro koncept laserové fúze ještě poměrně dlouhá, protože bude třeba ještě vyřešit celou řadu technologických výzev. V Akademii věd ČR se problematice laserové fúze experimentálně věnuje především laboratoř PALS (společné pracoviště Ústavu fyziky plazmatu a Fyzikálního ústavu) a evropské výzkumné centrum ELI Beamlines. Jaká je budoucnost fúze a jak hodnotí přelomový objev, jsme se zeptali ředitele Ústavu fyziky plazmatu AV ČR Radomíra Pánka. 

Radomír Pánek, ředitel Ústavu fyziky plazmatu AV ČR (CC)

Američtí vědci z Lawrence Livermore National Laboratory oznámili historický průlom – poprvé získali díky jaderné fúzi větší množství energie, než do pokusu vložili. Jak tento počin hodnotíte?

Výsledky dosažené v National Ignition Facility jsou významným fyzikálním úspěchem. Završily dlouholeté úsilí vědců dosáhnout jaderné fúze pomocí laserů namířených na malý terčík paliva – takzvané inerciální či laserové fúze. Lasery dokázaly stlačit palivo extrémním tlakem okolo 600 miliard atmosfér a ohřát je na teplotu přesahující 130 milionů stupňů Celsia. Dosud vědci bojovali s tím, že se jim nedařilo palivový terčík stlačit lasery stejnoměrně. Až loni dosáhli výrazného úspěchu, proto celý letošní rok věnovali dalšímu vylepšování laserů a technologie terčíku. Díky tomu nyní dokázali do terčíku dodat energii 2,05 megajoulů, přičemž se uvolnilo 3,15 megajoulů z fúzní reakce. Uvolněná energie tak překročila energii dodanou lasery. Experiment jako další v řadě po výsledcích získaných na evropském tokamaku JET prokázal, že energii lze uvolňovat z fúzní reakce v laboratorních podmínkách.

Výzkumné zařízení National Ignition Facility (NIF) v laboratořích Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii

Jaké jsou největší výhody jaderné fúze?

První výhodou je téměř neomezené množství paliva, kterého máme na Zemi v podstatě na tisíce roků. První generace fúzních elektráren bude využívat reakce izotopů vodíku – deuteria a tritia. Deuterium se nachází v malém množství ve vodě všude kolem nás, lze jej relativně snadno získat a je to bezpečný plyn. Druhá složka paliva – tritium – se bude vyrábět přímo v elektrárně z lithia známého z běžných baterií, které je dostupné a také zcela bezpečné.

U energetiky je bezpečnost klíčová…

Ano, další výhodou tohoto zdroje energie je takzvaná vnitřní bezpečnost. Dosažení potřebných podmínek je totiž natolik složité a náročné, že v případě jakékoli nestandardní situace v reaktoru fúzní reakce okamžitě zhasne anebo se ji ani nepodaří zapálit. Fúze navíc neprodukuje žádný vysokoaktivní radioaktivní odpad, který by bylo nutné následně dlouhodobě skladovat. Produktem základní reakce izotopů vodíku je helium, které je zcela bezpečné. Elektrárna využívající termonukleární fúzní reakci bude tedy představovat nízkoemisní, bezpečný a téměř nevyčerpatelný zdroj energie. 

Jaké překážky ještě vědci budou muset překonat na cestě k fúzním elektrárnám?

Hlavní úsilí v této oblasti výzkumu se u nás i ve světě zaměřuje na koncept tokamaků neboli magnetickou fúzi, která je technologicky výrazně blíže k realizaci první fúzní elektrárny. Toto úsilí brzy vyvrcholí dokončením a spuštěním mezinárodního tokamaku ITER, který je sice stále ještě vědeckým experimentem, avšak už má prokázat, že máme k dispozici všechny technologie potřebné pro fúzní elektrárny a že dokážeme z fúzní reakce vygenerovat přes 500 megawattů energie po dobu desítek minut. V oblasti výzkumu tokamaku se dnes už tedy z velké části řeší technologické problémy, zatímco laserová fúze se zatím ještě zaměřuje především na fyzikální procesy.

Experimentální fúzní reaktor ITER se nachází na jihu Francie.

Jaké tedy budou první fúzní elektrárny?

Je velmi pravděpodobné, že první fúzní elektrárna bude na principu tokamaku, avšak diverzifikace přístupu je velmi důležitá a ve vzdálenější budoucnosti mohou fúzní elektrárny využívající oba tyto koncepty, tedy magnetickou i laserovou fúzi, dobře existovat vedle sebe. Nicméně i v případě tokamaků nás na cestě k fúzní elektrárně ještě čeká několik klíčových vědeckých výzev – například dokončit vývoj vhodných materiálů odolávajících extrémním tokům energie srovnatelným s povrchem Slunce či vývoj metod, jak odvézt obrovské množství energie z plazmatu ven z reaktoru bez poškození jednotlivých komponent reaktoru. Řešení těchto výzev bude také výzkumnou náplní nového tokamaku COMPASS-U, který vzniká v našem ústavu v široké mezinárodní spolupráci.

Věříte, že lidstvo bude moci v budoucnu fúzi využívat jako zdroj čisté energie?

Ano, osobně tomu věřím. V roce 2012 byla na žádost Evropské komise vypracována Cestovní mapa pro realizaci energie z fúze, která identifikuje hlavní kroky potřebné k tomu, abychom mohli dodat první energii z tokamaků do rozvodné sítě kolem roku 2050.

Vizualizace pohledu do vakuové komory tokamaku COMPASS-U, který se buduje v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.

Co je zásadní proto, aby cíle bylo možné dosáhnout?

Klíčový je samozřejmě projekt ITER, po kterém bude následovat stavba demonstrační fúzní elektrárny DEMO připojené do elektrické sítě. Zatímco na ITERu celý svět spolupracuje, projekt prvních fúzních elektráren už připravuje nezávisle Evropa, USA, Korea nebo Čína a začíná jakási soutěž o to, která velmoc dovede jako první tuto technologii ke komerčnímu využití a získá tím víceméně neomezený zdroj energie.

Můžete uvést Váš osobní časový odhad?

V rámci Evropy na koncepčním návrhu elektrárny DEMO již intenzivně pracujeme, zahájení realizace se plánuje na polovinu třicátých let a dokončení koncem let čtyřicátých. Kolem roku 2050, kdy by tedy měla být první elektřina z tokamaků dodána do distribuční sítě, bychom měli mít k dispozici nový nízkoemisní, nízkouhlíkový, nízkoodpadový a vnitřně bezpečný energetický zdroj, který může zajistit dostatek energie pro celé lidstvo po tisíce let.

Markéta Wernerová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR (22.12.2022)