Už desítky let se ozývají zprávy o termojaderné fúzi jako zdroji energie pro budoucnost. Jak pokračují výzkumy a čím se liší tokamak a stelarátor?

Společnost Aldebaran se zajímá o astronomii a fyziku, a navštěvuje také evropské fyzikální laboratoře a jiná vědecky zajímavá místa. V roce 2019 se členové vydali do Německa a Holandska. Hlavním cílem byl stelarátor Wendelstein 7-X, který možná rozhodne o budoucnosti výroby elektřiny. A viděli jsme i mnoho dalšího.

Kostel v Mirowě (Mentzlovi)

První dva dny naší cesty byly odpočinkové, strávili jsme je v jezerní oblasti národního parku Müritz v Meklenbursku. Na výletě do městečka Mirow jsme spatřili solární fotovoltaické panely na zdejším kostele. Panely na střeše evangelického kostela johanitů mají plochu 92 m2 a ročně dodají okolo 9.000 kWh. Církevní obec je ráda, že kostel vyrobí více elektřiny, než spotřebuje.

Když už jsme se blížili k severním břehům Německa, zajeli jsme do Peenemünde, kde historicko-technické muzeum připomíná německé rakety a dobu národního socialismu. Na výsledky, zde dosažené, navázal poválečný raketový výzkum v Rusku, Francii a USA. (Blíže o muzeu Peenemünde zde.)

V nedalekém Greifswaldu nás čekal Institut Maxe Plancka pro fyziku plazmatu. Zdejší stelarátor je alternativa ke známějšímu tokamaku. Jde o přístroj, který má vyrábět energii spojováním atomových jader, tzv. termojadernou fúzí. Spojováním atomů se uvolňuje z hmoty ještě více energie, než štěpením jader. Ve stelarátoru Wendelstein 7-X se mají slučovat atomy vodíku a těžkého vodíku (deuteria), jejich spojením vznikne helium. V budoucích fúzních reaktorech se má používat také tritium, radioaktivní izotop vodíku. Jeden gram paliva by mohl uvolnit 90.000 kWh energie, což odpovídá spálení 11 tun uhlí.

Spojování jader vodíku probíhá neustále v našem Slunci a je zdrojem sluneční energie. Reakce ve Slunci probíhá za teploty 15 milionů stupňů a obrovského tlaku. Zde na Zemi je pro nás problém docílit tak velkého tlaku, musíme proto ještě značně zvýšit teplotu až na 100 milionů stupňů.

Tak vysokou teplotu nevydrží žádná nádoba. Ale vodík je při této teplotě ionizovaný, v podobě plazmatu, a tak je možné nechat vznášet ionty v magnetickém poli. Prstenec plazmatu lze magnetickým polem uzavřít a částečně tepelně izolovat. Až v určité vzdálenosti je první stěna nádoby.

V zařízeních typu tokamak je magnetické pole vytvářeno jednak magnetickými cívkami vně plazmové nádoby, jednak je vytvářeno elektrickým proudem, který protéká plazmatem. Elektrický proud v plazmatu probíhá v pulsech. Tokamaky tedy pracují jen v pulsním režimu.

U zařízení typu stelarátor vyrábějí magnetické pole pouze vnější cívky, plazmatem neprotéká proud.

Prstenec je určitým způsobem pokroucený a také cívky mají dost nepravidelné tvary. Na rozdíl od tokamaků mohou fúzní zařízení typu stelarátor pracovat v trvalém režimu. Výboje mají mít délku až 30 minut. Stelarátor Wendelstein v Greifswaldu se má kvalitou rovnováhy a uzavření plazmatu vyrovnat tokamakům.

Prstenec stelarátoru CC BY 3.0 (M.Planck Institut IPP)

Zařízení je vybudováno z několika vrstev. Kolem nádoby s plazmatem jsou navléknuty cívky. Aby cívky byly supravodivé, musí pracovat za velmi nízké teploty, téměř při absolutní nule, a jsou proto uzavřeny v tepelně izolované nádobě - kryostatu.

Na ohřev plazmatu se používají energeticky bohaté neutrální atomy vodíku, které se vstřelují do plazmatu, kde svými nárazy předají energii. Také se používají mikrovlny, směrované do plazmatu pomocí zrcadel.

„Popel“ fúzní reakce, tedy hélium, je odváděno takzvaným divertorem. V budoucích termojaderných elektrárnách budou kromě hélia vznikat také volné neutrony. Héliu i neutronům se bude odebírat teplo, to vyrobí páru a z páry lze běžným způsobem vyrobit elektřinu pomocí turbíny a generátoru.

Teoreticky vše vypadá hezky, v praxi se však vynořují různé problémy, které je třeba překonat. Velké úkoly jsou především v materiálovém výzkumu. Hledají se vhodné materiály pro plazmovou nádobu, odolné proti teplu a erozi. Vnitřní stěna stelarátoru je vyložena deskami z mědi, chromu a zirkonu. Na ně byly později namontovány grafitové kachle. Pro budoucí využití se testuje zvláště wolfram, případně ještě zesílený wolframovými vlákny.

Další problém je, jak zchladit plazma po ohřevu. Potřebná by byla doba zchlazení 5 sekund, což není snadné dosáhnout.

Stelarátor provedl první testy s héliovým plazmatem roku 2015, první vodíkové plazma bylo vyrobeno 3.2.2016. Následovala řada pokusů, které trvaly jednu sekundu až několik sekund. Pak bylo vylepšeno obložení divertoru. Další fáze pokusů byla v roce 2018, kdy byl stelarátor při jednotlivých pokusech v chodu až po 26 sekund. Ukázalo se, že divertor byl příliš horký a je nutné jej vyměnit za vodou chlazený. Vědci dále zkoumají rozpor mezi počítačovými modely a provedenými pokusy.

Nový zdroj energie je naléhavě potřebný, zvláště pro Německo, které se vydalo cestou Energiewende - postupného uzavření jaderných a uhelných elektráren. Při jaderné fúzi nevznikají žádné emise oxidu uhličitého. Potřebné látky se vyskytují v přírodě ve velkém množství: deuterium je v mořské vodě, tritium se dá získat z lithia.

Také z hlediska bezpečnosti je fúzní elektrárna výhodná. Reaktor obsahuje palivo jen na několik sekund provozu, na rozdíl od jaderného reaktoru, který má v sobě palivo na více než 1 rok. Malé množství řídkého plazmatu nemůže nijak vybuchnout a zničit svůj obal.

Bezpečnostní úvahy se týkají radioaktivního tritia a energeticky bohatých neutronů, které vznikají při spojování deuteria a tritia. Jako radioaktivní odpad zůstanou stěny plazmové nádoby, jejich aktivita však rychle klesá, po sto letech asi na desetitisícinu původní hodnoty. Při využití recyklačních technik by se materiál mohl po stu letech uvolnit a částečně využít na stavbu nových elektráren. Pro srovnání: jaderný reaktor se musí po ukončení provozu bezpečně skladovat 500.000 let.

Naděje lidstva se tak upínají k dalšímu vývoji stelarátorů a tokamaků. Největší fúzní experiment na světě je projekt Evropského společenství pro atomovou energii, tokamak JET v Culhamu ve Velké Británii. Zařízení vyrobilo více než polovinu energie, která byla spotřebována na ohřev plazmatu. Zařízení provádí další experimenty a jeho práce prý zatím nebude ohrožena brexitem. Británie a EU se dohodly na dalším provozu do konce roku 2020.

Ve Francii se staví ještě větší tokamak ITER za účasti Evropy, Číny, Indie, Japonska, Ruska, Jižní Koreje a USA. Ten má vyrobit 10x více energie, než bude potřeba k ohřevu plazmatu. (podrobněji zde) Stavba začala roku 2010, roku 2025 má být vyrobeno první plazma. Dne 26.5.2020 byl na staveništi Iteru umístěn nejtěžší kus fúzního reaktoru: 1250 tun těžké dno kryostatu.

Po ITERu se má začít stavět demonstrační zařízení DEMO od roku 2040, a ještě není rozhodnuto, zda to bude tokamak či stelarátor. DEMO by mohlo začít vyrábět elektřinu v polovině 21. století. Po něm může následovat první komerční fúzní elektrárna.

Cívka stelarátoru (Mentzlovi)

Jako měřítko, nakolik se dosavadní pokusná zařízení přibližují k vysněné fúzní elektrárně, je dobrý takzvaný fúzní součin (Fusionsprodukt). Je to součin hustoty plazmatu, teploty plazmatu a času, po který je plazma tepelně izolováno v magnetickém poli. U tokamaku JET dosáhl fúzní součin pětinu hodnoty, potřebné na to, aby plazma vyrábělo více energie, než spotřebuje. Přehled dosažených výsledků u různých tokamaků a stelarátorů je v grafu zde.

Nezbývá než doufat, že výzkum bude pokračovat dál a že se najdou peníze i na velká zařízení. Stelarátor Wendelstein 7-X je financován z větší části Německem a z menší části EU, nicméně od roku 2000 pociťuje nedostatek financí. Jak jsem vyrozuměla, stelarátor nemůže používat tritium, radioaktivní izotop vodíku, kvůli politickým tlakům, a tím jsou omezeny možnosti dalšího výzkumu. Vývoj nového zdroje energie závisí tedy nejen na vědcích, ale i na postoji veřejnosti.

O novinkách v oblasti energetiky informuje stručnou formou zpravodaj Energie-Perspektiven, vydávaný Institutem Maxe Plancka pro fyziku plazmatu. Zpravodaj je online zde.