14.4.2024 | Svátek má Vincenc


ENERGETIKA: Fúzní paprsek naděje

1.1.2022

Jako naprostá většina lidí jsem až do neděle 19. prosince 2021 žil v přesvědčení, že výroba elektrické energie prostřednictvím jaderné fúze je hudbou vzdálené budoucnosti, námětem pro sci-fi literaturu, a že veškeré pokusy na tomto poli, jež zahájili v Sovětském svazu v roce 1954 konstrukcí prvního tokamaku (název zavedl v roce 1957 vědec Igor Golovin, žák akademika Kurčatova, jako zkratku pro slovní spojení „toroidalnaja kamera magnitnaja“, kde kvůli libozvučnosti bylo koncové g zaměněno hláskou k) až k britskému JETU z roku 1983 a současným pokusným zařízením, nevedly k žádoucím výsledkům, neboť veškeré tokamaky zatím spotřebovávají více energie, než dokáží jadernou fúzí vyvinout, takže jako energetický zdroj nepřicházejí v úvahu.

Jenže tu neděli jsem pozdě večer náhodou naladil na TV Prima Zoom dokument o stavbě obřího tokamaku ITER v oblasti Cadarache v jižní Francii, který znamená průlom v konstrukci těchto zařízení, po výstavbě vesmírné stanice ISS je nejdražším mezinárodním projektem a po technické stránce nejkomplikovanějším strojem, do jehož konstrukce se kdy lidé pustili.

Řez fúzním reaktorem ITER o výšce a průměru 30 m

Těm čtenářům, kterým je princip tokamaku znám, se omlouvám, ale kvůli úplnosti jej alespoň rámcově nastíním. K termojaderné reakci, tj. ke slučování atomových jader, může dojít jen v plazmě, tj. ve skupenství hmoty o teplotě nad 100 milionů stupňů Celsia. Styk s takto žhavým mediem by však nevydržel žádný materiál, takže v tokamaku tvoří pomyslné stěny reakční prstencové komory toroidní a poloidní magnetické pole, jež zabraňuje žhavému plazmatu v dotyku se skutečnými stěnami. Navíc musí uvnitř komory existovat hluboké vakuum.

K vytvoření plazmatu uvnitř tokamaku je třeba dodávat energii. Plazma se jednak ohřívá procházejícím elektrickým proudem (má nenulový odpor), jednak mikrovlně a ještě vstřikem neutrálních částic. Když k tomu přidáme obrovské proudy v řádu megaampérů na napájení obřích elektromagnetů, pochopíme, proč stávající tokamaky mají negativní energetickou bilanci. (Přesný popis funkce tokamaku např. zde)

Začátky projektu ITER

Původní projekt byl dokončen v roce 1998. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, ale zkratka též znamená latinsky „cesta“) měl byl navržen tak, aby byl „samohořící“ (nevyžadoval další dávky energie k ohřevu plazmatu), ale hlavně mělo být odbouráno energeticky náročné napájení elektromagnetů využitím supravodivosti. Také byl zohledněn efekt velikosti, neboť z fyzikálních zákonů vyplývá, že čím mohutnější plazma je, tím nižší teploty stačí k udržení termojaderné reakce a tím vyšší bude účinnost reaktoru. ITER měl mít výkon 1 500 MW, proud plazmatem 22 MA a objem vakuové komory 2 000 m3. Zdrojem energie pak deuterium-tritiová a neutron-lithiová fúze, odpadem helium.

Na projektu se podílely ještě „nezelená“ EU, USA, Rusko, Čína, Japonsko, Jižní Korea a Indie. Jenže po roce 1998 USA zastavily jakýkoli civilní jaderný výzkum, Německo investovalo do sjednocení země a Rusko padlo do hospodářské krize. Nakonec USA od projektu odstoupily a zbývající účastníci odmítli dodržet původní rozpis nákladů ve výši 15 miliard dolarů. Nezbylo než projekt v roce 2001 přepracovat do méně ambiciózní verze.

Technologický průlom

Stavbu omezeného ITERu (výkon 500 až 700 MW, proud plazmatem 15 MA, objem komory 837 m3, hmotnost 23 000 tun) se rozhodli podpořit všichni původní partneři (v současnosti 35 zemí včetně Česka) a na nátlak Číny a Ruska se v roce 2007 začal stavět ve francouzském regionu Cadarache. Zúčastněné státy se podílejí na výstavbě naturální formou v podobě strojních dodávek, jež se na místo stavby dopravují z celého světa. I tak se náklady odhadují na 40 miliard dolarů v dnešních cenách.

Technologickým průlomem je použití supravodivých elektromagnetů. Při teplotě jen čtyři stupně nad absolutní nulou (- 273 °C), budou mít cívky elektromagnetů s vinutím ze zvláštní slitiny prakticky nulový odpor, což umožní, až bude vinutí nasyceno obřím elektrickým nábojem, aby v něm bez dalšího napájení koloval elektrický proud a budil nutné magnetické pole. Jestliže doposud bylo na celém světě vyrobeno pouze 20 tun supravodivých magnetů, ITER bude obsahovat 600 tun takových magnetů.

Tímto způsobem byl odbourán zásadní nedostatek tokamaků – neustálé napájení elektromagnetů elektrickým proudem, což způsobovalo, že vlastní energetická spotřeba byla vyšší než fúzní výkon.

Použití supravodivých magnetů přineslo další problém, a sice jak izolovat cívky s teplotou - 269 °C od okolí. I to se však podařilo vyřešit. Celá prstencová komora s toroidními elektromagnety bude umístěna v jakési obrovité Dewarově nádobě z nerezové oceli, tedy v nádobě s dvojitým stěnami, kde z meziprostoru bude vyčerpán vzduch.

ITER bude používat vodíkový plazmový prstenec o teplotě 150 milionů °C a podle propočtu bude schopen vyrobit z půl gramu směsi deuteria a tritia asi 500 MW energie po dobu 1 000 sekund. Pak se vstříkne do plazmy další dávka a cyklus se bude opakovat. Každý cyklus si vyžádá udržovací příkon 50 MW na ohřev plazmatu (reaktor tedy není zcela „samohořící“), takže i když zahrneme energii pro chlazení a pomocné agregáty, bude ITER prvním tokamakem, který vyrobí více energie, než sám spotřebuje.

ITER jako zkušební fúzní reaktor nebude mít elektrárenskou část, teplo vzniklé oběma termojadernými reakcemi se bude převádět do vodních chladících okruhů a jimi odvádět do vnějších chladících věží. Část toku neutronů se použije ke štěpení lithia na tritium, tedy k výrobě doplňující komponenty paliva. Základní komponenty, deuteria, je v oceánech takové množství, že jako palivo do termojaderných elektráren vydrží lidstvu déle než Slunce.

Nezbytným prvkem pro provoz tokamaků je však lithium, takže se zde rýsuje kolize mezi využíváním tohoto alkalického kovu v lithiových bateriích a obřích úložištích a v termojaderných elektrárnách, pro něž je lithium zatím jediným možným zdrojem pro výrobu tritia. Každopádně se lithium stane prvořadou strategickou surovinou, jakou je dnes ropa. Stoupne též strategický význam berylia a wolframu, neboť tyto kovy jsou nejodolnější vůči neutronovému záření a budou tvořit vnitřní výstelku fúzní reaktorové komory.

Aniž by se stavbě ITERU dopřávalo veřejné publicity, postoupila do té míry, že v létě 2021 mohl být uložen do reaktorové šachty nejspodnější prstenec dvojité reaktorové nádoby, základ obří „termosky“ z nerezové oceli. Též běží výroba „žeber“ budoucí reaktorové komory, jež ponesou vinutí supravodivých elektromagnetů. Vyrábějí se na různých místech světa a přestože covidová pandemie zkomplikovala transport, daří se plnit harmonogram projektu. Je tedy zcela reálné, že v roce 2025, jak se plánuje, se opravdu uvnitř ITERu zažehne plazma a začnou se zpracovávat provozní data superpočítačem, aby se mohly zpřesnit plány první skutečné termojaderné elektrárny DEMO. Ta se má začít stavět v roce 2024 a připojena k elektrické síti má být v roce 2051. Podrobnější údaje zde.

Lobbistické zákulisí?

Již srovnání výše uvedeného hesla české Wikipedie a onoho televizního dokumentu budí určité pochybnosti. Zatímco heslo často používá výrazy „předpokládá se“ a „by mělo být“, televizní dokument představil ITER jako zralý, již běžící inženýrský projekt, který vyřešil všechny klíčové problémy fúzního reaktoru, jehož stavba bude za čtyři roky dokončena. To samozřejmě mnoho neznamená, hesla na Wikipedii mají až příliš často nevyváženou kvalitu. Významnější však je postoj EU, respektive Evropské komise k tomuto projektu. Například eurokomisařka pro energetiku Kadri Simsonová nemá ve svém portfoliu explicitně uveden projekt ITER a z jejího desetičlenného štábu jen Thor-Sten Vertmann má ve své devítibodové náplni pouze jeden souhrnný bod pro nukleární energii a projekt ITER. Na straně druhé skoro všichni její poradci mají za úkol implementaci Green Dealu, včetně představ o vodíkových technologiích, které jsou sotva technicky zralejší než ITER. Pokud vezmeme energetický plán EU za bernou minci, pak na konci eurounijní zelené pětadvacetiletky bude v provozu nejméně jedna termonukleární elektrárna. Ovšem ve stokrát omílaném energetickém eurounijním mixu o ní není ani zmínka, přestože pro každou organizaci, která by brala bezemisní energetiku zodpovědně, by měla být termojaderná elektrárna cílovým projektem.

Takhle však člověk, ať chce, nebo nechce, musí dojít k závěru, že ITER je dnes pro EU nechtěným dítětem, které však v kolébce vyrostlo natolik, že už nejde uškrtit.

V tu adventní neděli mě docela zaskočilo, že jsem o projektu ITER nic nevěděl, natož jak už je pokročilý. A přitom patřím mezi lidi, kteří se „zajímají“ nad běžný rámec. Jenže ITER je záležitost prvořadého energetického významu, znamená po štěpných reaktorech ještě revolučnější zdroj energie, který má potenciál změnit budoucnost lidstva. A přesto se o něm média zmiňují jen sporadicky, ačkoli by jej měly v rámci eurounijní bezemisní agendy propagovat co nejvíce. Takže kdybyste na ulici zastavili sto lidí, jsem přesvědčen, že jen se štěstím byste našli jednoho, který by věděl, co je to ITER. A kdybyste se zeptali středoškoláků, byl by výsledek ještě žalostnější, přestože to bude tahle věc, která zásadně změní jejich životy.

A tak se vnucuje myšlenka, že se jedná o jistý druh informačního embarga. ITER, pokud se úspěšně rozběhne, totiž znamená smrtelné nebezpečí pro lobby solárních baronů a výrobců větrných elektráren, znamená konec dotací a na nich založených byznysplánů, k nimž se v poslední době připojuje ještě lukrativnější výstavba bateriových úložišť. A znamená též soumrak plynárenské lobby, která třebas v Česku zpochybňuje dostavbu Dukovan. Je zřejmé, že Evropská unie je ve vleku obou zmíněných lobby, což dokládá i poslední návrh EK o urychleném ukončení spalování fosilních paliv, a že o záchranu klimatu jde až na posledním místě.

Proto se dívám na projekt ITER jako na paprsek naděje ve světě trpícím zelenou slepotou, a konstruktérům tohoto průlomového díla, nejkomplikovanějšího stroje v lidské historii, přeji do nového roku hodně úspěchů, ať zdolají všechny nástrahy stavby a ať se roku 2025 dočkáme, že kromě slunce v duši budeme mít na této planetě kousek skutečného slunce.

Nový rok šťastnější, než byl ten minulý, přeje čtenářům Neviditelného psa