Než se pustíme do povídání, pojďme si nejprve vysvětlit, co se skrývá za termínem fúze.

Úplně jednoduše řečeno je fúzní reakce typem jaderné reakce, kdy se slučují (fúzují) jádra atomů prvků lehčích než železo. Problém je v tom, že aby se dvě kladně nabitá jádra dokázala sloučit, je potřeba jim udělit vůči sobě vysokou rychlost, která překoná odpudivou sílu a dovolí jádrům se k sobě přiblížit natolik, aby převládla přitažlivá jaderná síla a jádra se sloučila. Toho lze dosáhnout zahřátím plynné látka v reaktoru na velmi vysokou teplotu, díky čemuž se změní v plazma. To je čtvrté skupenství, z kterého se skládá například na Slunce. 

V plazmatu jsou díky extrémní teplotě elektrony odtrženy od atomových jader a jeho chování je poměrně složité. Platí ale vztah, že čím vyšší je teplota plazmatu, tím rychleji se v něm jádra pohybují a nad určitou teplotu se již pohybují natolik rychle, že se začnou postupně slučovat a uvolňovat při tom obrovské množství energie, tedy začne probíhat termonukleární reakce. Je to reakce, která probíhá ve hvězdách ve vesmíru kolem nás včetně našeho Slunce.

Dosažení řízené termonukleární reakce v pozemských podmínkách je ale velmi složité, protože zde nemůžeme využít pro udržení extrémně horkého plazmatu pohromadě gravitační sílu jako na Slunci. Proto se už několik dekád pracuje na několika jiných přístupech a největší naděje se vkládají do takzvaného magnetického udržení plazmatu v reaktorech, konkrétně do konceptu nazvaného tokamak, případně i stelarátor.

Foto: ÚFP AV ČR

U klasické štěpné jaderné reakce je palivem obohacený uran. Které prvky jsou tedy klíčové pro fúzní reakci a jak vlastně tato reakce probíhá?

Pro první generaci reaktorů se budou jako palivo používat izotopy vodíku – deuterium a tritium a s nimi také v současné době probíhá většina experimentů. Za výrazně náročnějších podmínek lze slučovat i jádra jiných prvků a některé výzkumy se tomu věnují, ale to bude zřejmě aktuální až pro další generace fúzních reaktorů.

Proces reakce vypadá tak, že při sloučení jader deuteria a tritia vznikne neutron s velkou energií a pak také alfa částice, což je jádro atomu helia. To má kladný elektrický náboj, takže zůstane zachyceno v magnetickém poli a zároveň též nese velké množství energie. Alfa částice se začnou ihned po svém vzniku srážet s palivem, tj. jádry deuteria a tritia, čímž jim předávají svoji energii a plazma se tím udržuje na požadované teplotě, aby termonukleární reakce mohla kontinuálně probíhat.

Neutron, který vznikne, je elektricky neutrální a není tedy ovlivněn magnetickým polem v reaktoru, takže z plazmatu letí pryč skrze stěnu reaktorové nádoby do blanketu (obalu) reaktoru. Tam je postupně zbržděn a předá mu tím svou energii v podobě tepla. Teplo se poté odvádí za pomoci chladícího média do výměníku a dále k turbínám. Primárním zdrojem energie jsou tedy neutrony a alfa částice slouží především k ohřívání plazmatu. 

Deuterium se naprosto běžně vyskytuje ve vodě, ale tritium se v pozemských podmínkách nevyskytuje, pokud pomineme vrchní vrstvy atmosféry. Jak jej tedy budeme pro využití v elektrárnách získávat?

Když jsem hovořil o tom, že při reakci budou stěnou reaktoru prolétávat neutrony, tak tyto částice budou mít kromě předávání energie klíčovou roli i při výrobě tritia. Z venku jako palivo bude do reaktoru dodáváno neškodné deuterium a lithium, které bude proudit takzvanou plodící částí blanketu. Když se letící neutron srazí s jádrem lithia, tak jej rozštěpí, čímž z něj vznikne tritium. To se následně z blanketu odfiltruje a použije jako palivo do reaktoru. A nutno dodat, že nehraje roli, zda jde o tokamak či stelarátor, oba typy reaktorů budou využívat jako palivo tyto zmíněné izotopy vodíku.

Mezi tokamaky a stelarátory je ale jinak poměrně velký (konstrukční) rozdíl. Jaký vliv má konstrukce reaktoru na celý jeho chod? 

Pro pochopení rozdílu mezi těmito dvěma typy reaktoru je třeba si nejprve říci něco o magnetickém udržení plazmatu. Plazma se skládá z nabitých částic, které se pohybují všemi směry. Ale když se plazma vloží do silného magnetického pole, mohou se částice plazmatu pohybovat pouze podél jeho siločar a ne napříč. To znamená, že je plazma od okolního světa velmi dobře izolováno ve směru kolmém na magnetické pole, ale ne podél. Proto se před asi sedmdesáti lety přišlo s nápadem magnetické pole zakroutit do tvaru toroidu neboli prstence, čímž se magnetické čáry na sebe napojí, nemají vlastně konec a tudíž i podél magnetického pole již nemůže plazma uniknout.

Oba koncepty – tokamak i stelarátor, vytvářejí takové toroidální magnetické pole, ale jedním ze zásadních rozdílů mezi nimi je právě způsob, jak to dělají. Zatímco u tokamaku se správně zakřivené pole tvoří součtem pole produkovaného vnějšími cívkami a polem tvořeného indukovaným proudem tekoucím uvnitř plazmatu, stelarátor dokáže díky velmi složitě zakřiveným cívkám i díky zakřivení vlastní komory reaktoru vytvářet potřebný tvar pole bez potřeby proudu v plazmatu. Z toho pak vyplývá další zásadní rozdíl; tokamak je v principu pulzní zařízení (což je třeba překonávat dodatečnými technologiemi), kdežto stelarátor nikoliv a může tedy mít teoreticky nekonečně dlouhý výboj plazmatu.

Foto: Max Planck Institute for Plasma Physics, Německo

Která z těchto dvou technologií je tedy lepší? 

Z více důvodů by mohly být výhodnější stelarátory, ale jejich problém je, že mají skutečně extrémně složitý tvar magnetických cívek. A přestože koncept stelarátoru byl objeven ještě před tokamakem, bylo donedávna v podstatě nemožné spočítat správný tvar magnetických cívek tak přesně, aby ztráty energie z plazmatu byly přijatelné a bylo možné zapálit termonukleární reakci. Tyto složité rovnice bylo možné s dostatečnou přesností řešit až zhruba od devadesátých let, kdy se objevily výkonnější superpočítače, které to dokážou.

V tu dobu proto také vznikl i projekt velkého experimentálního stelarátoru Wendelstein 7-X v Německu pod institutem Maxe Plancka. A za těch devět let, co je v provozu, už začíná mít zajímavé výsledky. I proto se v poslední době objevují dokonce i soukromé firmy, které slibují první fúzní elektrárnu na prinicpu stelarátoru. Nicméně nalijme si čistého vína, sliby „postavíme vám fúzní elektrárnu do pěti let“ nejsou reálné ani pro tokamaky, které jsou výrazně pokročilejší.

V případě stelarátorů jsme i s Wendelsteinem 7-X v rámci vývoje technologie zhruba tam, kde jsme byli v 80. letech 20. století u tokamaků. Takže jsem přesvědčen, že první elektrárna bude pracovat na principu tokamaku, ale v dlouhodobém horizontu, až se vývoj stelarátorů dostane do adekvátní fáze, tato technologie může nad tokamaky převládnout, protože má nesporné výhody.

V současnosti se pracuje na výstavbě velkého experimentálního tokamaku ITER, který by měl být spuštěný během několika příštích let. ITER je zároveň nejrozsáhlejší a nejdražší mezinárodní vědecký projekt. K čemu bude sloužit?

Na tomto mezinárodním projektu s rozpočtem více než dvacet miliard eur se podílí celý rozvinutý svět, tedy Evropská unie, USA, Rusko, Čína, Jižní Korea a Indie. Cílem je vybudování experimentálního fúzního reaktoru, na kterém otestujeme a prokážeme, že již máme vyvinuty všechny potřebné technologie a znalosti o plazmatu. Druhým cílem je prokázat, že ITER vyprodukuje alespoň 500 MW energie, což je destkrát více než do něj vložíme z venku. Zařízení se buduje ve francouzském výzkumném a vývojovém centru Cadarache a je dnes již z velké části dokončeno.

Foto: ITER Organization

Po mezinárodním projektu ITER plánuje Evropa postavit svůj vlastní prototyp fúzní elektrárny, kterou nazýváme DEMO. Tu bychom chtěli začít stavě ve 30. letech tohoto století a bude to do jisté míry závod mezi Evropou, Čínou, Koreou, Japonskem a USA o to, kdo bude mít tuto technologii zcela klíčovou pro budoucnost k dispozici jako první. Komerční využití tohoto zdroje energie by tedy mělo přijít někdy od 50. let tohoto století. 

Vrátím se ještě na chvíli na začátek a položím otázku, která určitě napadla nejednoho čtenáře. Plazma, které se v reaktoru vytvoří, je extrémně horké. Jak je možné, že reaktor takovou zátěž vydrží?

Ano, to je pravda, v tokamacích a stelarátorech se generují největší tepelné gradienty ve vesmíru. Ve svém středu má plazma zhruba 150 až 200 milionů stupňů Celsia, což je teplota dokonce destkrát vyšší než v centru Slunce. Celé kouzlo ochrany reaktoru tak spočívá právě v magnetickém poli, o kterém jsme se bavili před chvílí. Pokud by se plazma zažehlo v komoře široké jen několik metrů bez něj, částice plazmatu by létaly všemi směry, dopadaly na vnitřní stěnu reaktoru a reaktor by se zničil. Když se ale plazma sváže magnetickým polem ve správném tvaru a jeho siločáry nikde neprotínají stěnu reaktoru, resp. jsou s nimi všude rovnoběžné, plazma by se v principu nemělo ke stěnám vůbec dostat.

Teoreticky by měla být takováto bariéra dokonalá, ale protože existují srážky mezi částicemi plazmatu a také turbulence, pohybuje se část plazmatu i napříč magnetickým polem a může dopadat na materiál reaktorové komory. Je to ale o mnoho řádů méně, než co by se dělo bez magnetického pole. Díky tomu se stěny ohřejí jen na několik stovek stupňů a takovou tepelnou zátěž už stěna reaktoru vydrží.

I přes ochranné magnetické pole je termojaderná fúze extrémně bouřlivým procesem, který vyžaduje nejmodernější materiály. Jak náročný je jejich vývoj?  

Výzkum a vývoj vhodných materiálů je jeden několika základních problémů fúze, protože vyvinout materiály, které snesou extrémní teplotní toky a toky neutronů, je velmi složité. Dnes víme, že jediný v současné době známy materiál, který snese takto vysoké namáhání je wolfram, případně jeho různé formy. Pracuje se ale i na dalších řešeních, jako například využití tekutých kovů pro oblast divertoru, což je ta část reaktoru, která přichází do přímého styku s horkým plazmatem.

Klíčové ale je, aby materiály, z nichž se reaktor skládá, odolaly také neutronové zátěži. Neutrony procházející materiálem totiž posouvají atomy v krystalické mřížce, což za normálních okolností znamená změnu jejich vlastností. A my nyní vyvíjíme takové materiály, v nichž nebude mít několikanásobná změna polohy atomů negativní vliv fyzikální vlastnosti materiálu. 

V současné době probíhá výzkum fúze hlavně na menších tokamacích rozesetých po celém světě. Váš ústav měl donedávna v provozu tokamak COMPASS a v současnosti probíhá výstavba nového tokamaku COMPASS-U. Jaká je jeho úloha?

Tokamak COMPASS jsme provozovali od roku 2008 a zaměřili jsme se především na podporu konstrukce tokamaku ITER a přípravu jeho vědeckého vuužítí. V důsledku řady úspěšných experimentů na COMPASSu jsme ovlivnili design některých částí tokamaku ITER a poskytli řadu klíčových informací. I díky tomu se nám podařilo získat financování na projekt nového tokamaku – COMPASS-U, který bude mít světové unikátní parametry a bude jedním z klíčových evropských fúzních zařízení. Od ostatních se bude lišit v tom, že jako jediný na světě bude pracovat magnetickým polem o velikosti až 5 T (tesla), což je přibližně dvojnásobek hodnoty u ostatních současných tokamaků.

Foto: ÚFP AV ČR

De facto se z něj stane nástupce již ukončeného tokamaku na americkém MIT, na němž se zjistilo, že se ve vyšším magnetickém poli některé vlastnosti plazmatu výrazně mění, plazma se stává výrazně stabilnější, což může mít zásadní vliv jak a ITER, tak především DEMO. Naším cílem bude tedy podrobně studovat a objasnit chování plazmatu za těchto podmínek a poskytnout klíčové údaje pro tyto dva projekty.

Havárie ve (štěpných) jaderných elektrárnách Černobyl a Fukušima nutí k zamyšlení, jak moc je vlastně jaderná fúze bezpečná. Nehrozí nějaká podobná nehoda s globálně fatálními důsledky? 

Obrovskou výhodu termojaderné fúze je to, že je vlastně naprosto bezpečná. Termojaderná fúzní reakce probíhá pouze při velmi vysokých teplotách paliva a jakákoliv porucha ovlivňující chod reaktoru automaticky vede k ochlazení paliva a tím k okamžitému přerušení fúzní reakce. Stejně tak lze v případě potřeby fúzní reakci kdykoliv bezpečně během sekund zcela zastavit a nemůže zde probíhat žádná řetězová reakce.

Tritium je sice mírně radioaktivní prvek s relativně krátkým poločasem rozpadu dvanáct let, který se ale bude vyrábět přímo uvnitř reaktoru z neškodného lithia. Při provozu bude obsahovat reaktor pouze gramy vodíkových izotopů a ani jejich havarijní únik do ovzduší by nijak neohrozil životní prostředí. Obrovskou výhodou fúzní elektárny také bude, kromě její takzvané vnitřní bezpečnosti, i téměř nevyčerpatelné palivo, které máme k dispozici pro naši civilizaci na tisíce roků.

Projekty ITER a DEMO jsou jinak řečeno poslední dva verifikační kroky potřebné ke stavbě první skutečné fúzní elektrárny. Dokážete odhadnout, kdy budeme doma svítit elektřinou vyrobenou z termojaderné fúze?

Na to je poměrně složité odpovědět, protože na věc je třeba se podívat z více úhlů. V podstatě jsme za těch zhruba osmdesát let dokázali vyřešit většinu fyzikálních i technologických problémů, které by znemožňovaly stavbu funkční elektrárny. To, co ale brzdí do jisté míry další rychlý vývoj vyžadující stavbu velkých a finančně náročných projektů, je politická poptávka. I když se vám budou moje slova zdát provokativní, tak si musíme uvědomit, že energie, kterou získáváme konvenčními metodami, je stále vlastně levná a je jí dostatek.

Zájem politiků i veřejnosti o fúzi vždy výrazně vzroste během energetických krizí, v takových okamžicích se vždy razantně zvýší investice do jejího výzkum, ale jakmile krize opadne, slíbené finance na dlouhodobý intenzivní výzkum a realizaci nezbytných projektů zase opadnou. Myslím si, že pokud by se k vývoji takovéhoto zdroje energie přistoupilo jako například k projektu Manhattan za druhé světové války, výrazně se navýšily a centralizovaly finanční a lidské zdroje, už bychom fúzní elektrárny pravděpodobně měli.

A když si představíme, že by najednou ta politická poptávka přišla? 

Pokud se teď Evropa rozhodne, že chce vyvinout fúzní elektrárnu co nejrychleji a alokuje na to potřebné finanční prostředky, odstraní některé administrativní překážky například v podobě extrémně časově náročných, drahých a neadekvátních povolovacích procesů, a dohodneme se, že paralelně s provozem tokamaku ITER začneme stavět i prototyp DEMO, tak si myslím, že v 50. letech máme k dispozici skutečný prototyp komerčního fúzního reaktoru dodávající energii do sítě a komerční výroba může začít. To je postup, který se nyní snažíme v EU prosadit, abychom si udrželi technologický náskok před Čínou, která do tohoto výzkumu v posledních dvou dekádách velmi masivně investuje.

Prof. RNDr. Radomír Pánek, Ph.D.Je předním světovým odborníkem v oblasti výzkumu plazmatu a termojaderné fúzeDlouhodobě se podílí na vedení řady mezinárodních institucí a expertních orgánů klíčových pro fúzní výzkum včetně valného shromáždění mezinárodního konsorcia EUROfusion, kterému od roku 2024 předsedáOd roku 2015 působí Radomír Pánek jako ředitel Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, kde v současnosti probíhá konstrukce nového tokamaku COMPASS-U