Vědci dlouho nemohli přijít na to, co přesně je zdrojem energie Slunce a dalších hvězd. Pak zjistili, že se tak děje termojadernou fúzí, při které se atomová jádra lehčích prvků slučují v jádra těžších prvků a zároveň dochází k uvolnění energie.
Fyzici přemýšleli, jak by bylo možné takovou reakci využít v pozemských podmínkách, v podstatě šlo o to, jak vytvořit "malé Slunce na Zemi", které by dokázalo generovat obrovské množství čisté energie. Výzkum probíhal již od 40. let minulého století a vědci se domnívali, že brzy dosáhnou cíle. Mýlili se.
Do cesty se jim stavělo množství fyzikálních a technologických překážek a ani v současnosti, osm desetiletí poté, ještě neumí lidé termojadernou fúzí vyrobit více energie, než do procesu vloží. Lidstvo však v tomto směru učinilo velký pokrok a velkou zásluhu na tom mají Češi.
Co je plazma?
"Plazma je tzv. čtvrté skupenství hmoty, které je navíc nejrozšířenější ve vesmíru. Skládají se z něj v podstatě všechny hvězdy včetně našeho Slunce. Můžeme si ho představit jako plyn, který zahřejeme na velmi vysokou teplotu, čímž dojde k odtržení elektronů z atomů. Tím vznikne plazma, které se skládá z kladně nabitých jader atomů a elektronů, které spolu poměrně složitě interagují. Plazma existuje samozřejmě i na Zemi a jeho využití v průmyslu nebo například medicíně má velmi vzrůstající tendenci," vysvětluje Radomír Pánek z ředitel Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd České republiky.
(Na obrázku vizualizace, jak to bude vypadat uvnitř nového tokamaku Compass Upgrade.)
"Dnes jsme již velmi blízko reálnému využití takového zdroje energie," přitakává ředitel Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd Radomír Pánek. To by znamenalo velký přelom - lidem by se podařilo zajistit bezpečný a prakticky neomezený zdroj energie.
Plazma desetkrát teplejší než střed Slunce
Právě v jeho ústavu se jedno takové malé experimentální "Slunce na Zemi" od roku 2009 nacházelo. Tím se Česko dostalo ve výzkumu termojaderné fúze na kontinentální špici. Nyní bylo zařízení, nazývané ruskou zkratkou "tokamak", odstaveno a zhruba do tří let ho vystřídá mnohem výkonnější a dokonalejší verze. Pětadvacetitunový tokamak Compass vystřídá třistapadesátitunový Compass Upgrade. České vědecké centrum by se jím mělo dostat z evropské špičky na světovou.
Nejde o jen tak ledajaký stroj, když si uvědomíme, že musí být schopen vytvořit a udržet plazma o teplotách až 200 milionů stupňů Celsia, což je asi desetkrát více, než bychom naměřili ve středu našeho Slunce. Jak Radomír Pánek upozorňuje, tokamak krom toho musí vytvořit vhodné podmínky pro hoření termonukleární fúzní reakce, ale zároveň se musí postarat o to, aby plazma přišlo co nejméně do kontaktu se stěnami jeho vakuové komory.
Komora má tvar pneumatiky a jsou na ni navinuty masivní magnetické cívky. "Ty vytvářejí velmi silné magnetické pole speciálního tvaru, které pak dokáže plazma držet uprostřed vakuové komory tak, aby se téměř nedotýkalo její stěny," vysvětluje fyzik. Další komplexní systémy tokamaku zase dokážou plazma zahřát na zmíněné extrémní teploty nebo řídit jeho polohu. Zařízení se tak musí vypořádat nejen se žhavým plazmatem, ale také s velmi vysokými elektromagnetickými silami, aniž by došlo k posunu nebo deformaci komory.
Deuterium z lahve vody a tritium z baterie od notebooku by pomocí fúzní reakce generovalo takové množství energie, které spotřebuje člověk za celý život.
Vědci již mají jasno i o palivu pro takový termojaderný reaktor - mají jím být izotopy vodíku deuterium a tritium. "Deuterium se vyskytuje všude kolem nás ve vodě, sice ve velmi malém množství, ale je lehce získatelné. A tritium bude vyráběno uvnitř reaktoru z lithia. Tato reakce má velmi vysokou účinnost, deuterium z lahve vody a tritium z baterie od notebooku by pomocí fúzní reakce generovalo takové množství energie, které spotřebuje člověk za celý život," popisuje Radomír Pánek principy zlomového procesu. "Navíc takový zdroj energie nebude produkovat radioaktivní odpad, bude zcela bezpečný a paliva máme k dispozici na tisíce roků," dodává.
Největší experiment světa
Odbourávat se daří většinu technologických potíží, k čemuž významně přispěl v Česku provozovaný tokamak Compass. Stroj provedl několik rozsáhlých sérií experimentů, které měly významný vliv na design některých částí chystaného světového tokamaku ITER, jenž se připravuje ve Francii. Pánek o něm hovoří jako o "největším vědeckém experimentu na světě", na němž spolupracují všechny vyspělé země světa.
Čeští vědci z Ústavu fyziky plazmatu významně přispěli zejména tím, že odzkoušeli, co dělat, aby extrémní podmínky neroztavily destičky, které zevnitř pokrývají vakuovou komoru, také otestovali, jak přesně umístit mnohatunové magnetické cívky, aby tokamak mohl dosáhnout maximálních parametrů, či jak se vyvarovat dalších jevů, které by přístroj mohly poškodit. Vyvinuli také novou metodu měření magnetického pole v náročných podmínkách fúzního reaktoru a vyrobili pro tyto účely sadu osmdesáti senzorů, které již dodali pro tokamak ITER.
"Navíc na našem tokamaku organizujeme již mnoho let letní a zimní experimentální školy, které za tu dobu absolvovalo přes tři stovky převážně zahraničních studentů a mladých vědeckých pracovníků. Většina z nich se již účastní anebo se v budoucnu bude účastnit projektu ITER," dodává šéf pracoviště s tím, že pakliže projekt prokáže, že tokamak může produkovat alespoň 500 MW energie po relativně dlouhou dobu, půjde o zásadní milník.
Spolupráci vystřídají závody
Český projekt nového tokamaku Compass Upgrade běží od roku 2018, vědci dokončili finální konstrukční návrh, který schvalovali zahraniční odborníci. V brzké době tedy bude ve firmách po celém světě zahájena výroba jednotlivých částí.
Zároveň již v Česku a několika evropských zemích probíhá výroba jednotlivých částí energetického napájení tohoto experimentu. Provoz Compassu Upgrade by měl být zahájen někdy mezi lety 2024 a 2025. Půjde o důležitý krok pro zdárný provoz tokamaku ITER a v budoucnu i dalších zařízení.
Český stroj bude schopen generovat velmi vysoké magnetické pole (až pět tesel) pro udržení plazmatu, což je dvakrát více než ostatní současné tokamaky. "Některé experimenty totiž v minulosti ukázaly, že při této hodnotě magnetického pole, kterou bude mít také ITER, se plazma začíná chovat částečně jinak, a sice lépe. Je například více stabilní, což bude zásadní pro budoucí reaktory," vysvětluje Radomír Pánek.
Compass Upgrade bude také sloužit jako evropské testovací zařízení pro využití technologie tzv. tekutých kovů pro fúzní reaktory, které by měly mít samoobnovovací schopnost v případě, že bude část povrchu materiálu uvnitř reaktoru poškozena plazmatem. "O tuto technologii mají kromě Evropy velký zájem také Američané," říká fyzik.
Jak ale také upozorňuje, tato takřka idylická celosvětová spolupráce potrvá jen do zdárného vyzkoušení cvičných prototypů. Pak nejspíše začnou závody, v nichž si každá velmoc bude chtít sama za sebe postavit prototyp komerčního fúzního reaktoru. "Stát, který to první zvládne, získá přístup k v podstatě neomezenému a čistému zdroji energie," konstatuje Pánek.
Evropská unie má svůj vlastní plán, jak toho dosáhnout přibližně do roku 2060 - tzv. Evropskou cestovní mapu pro realizaci energie z fúze. "Ale velmi agresivně postupují také další státy, jako například Čína, Jižní Korea nebo Japonsko," doplňuje vědec.
