Přiblížili jsme se ke svatému grálu energetiky! Vědcům z americké laboratoře Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) se v National Ignition Facility (Národním zážehovém centru) 5. prosince 2022 poprvé v historii podařilo provést jadernou fúzi, při které vzniklo víc energie, než kolik jí reakce spotřebovala.

Na průlomovém úspěchu, který by jednou mohl vést až k čistému zdroji elektřiny, se podílel i český fyzik Milan Holec. „Je to zlom! Poprvé jsme dosáhli kladné energetické bilance. Ale zároveň je to pouhý začátek, chceme jít mnohem dál, již v létě 2023 bychom mohli získat třikrát více energie,“ říká absolvent Českého vysokého učení technického v Praze, který jedním dechem dodává, že cesta do praxe – k fúzním elektrárnám – bude ještě pár (desítek) let trvat.

Milan Holec v americkém výzkumném středisku LLNL působí od roku 2018, konkrétně se zabývá matematickým modelováním fúzního plazmatu. „S pomocí superpočítačů se snažíme předpovědět a popsat, co se vlastně během takového experimentu děje. Fúzní reakce probíhá v extrémních podmínkách. Ne vše se dá změřit, proto je důležité předem modelovat průběh i výsledek experimentu.“

Laser nebo magnet

Jaderná fúze je ve vesmíru zcela běžná – je zdrojem energie hvězd včetně našeho Slunce. Rozběhnout ji a udržet v laboratoři ale není vůbec snadné. „Na Zemi nám chybí gravitační síla Slunce, která horké plazma o teplotě až 150 milionů stupňů drží pohromadě. V tokamacích proto využíváme velmi silné magnetické pole, které horké plazma udržuje izolované od stěn reaktoru,“ popisuje v současnosti nejrozšířenější a nejpokročilejší experimentální přístup Radomír Pánek, ředitel Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd.

To je druhý přístup k ovládnutí jaderné fúze. Prvním jsou zmíněné lasery a takzvaná inerciální fúze, kdy pomocí laserů dochází k prudkému stlačení miniaturní kuličky plné vodíkového paliva. „Jako kdybychom proti sobě poslali dva rychle letící objekty, které jsou zároveň odtlačované pružinou mezi nimi. Jádra při stlačování kladou odpor, ale když se přiblíží natolik, že se sloučí, vzniklé těžší jádro získá ohromnou energii a je okamžitě vystřeleno pryč,“ přirovnává Milan Holec.

Různé vědecké přístupy přinášejí potřebnou diverzitu a jsou hnacím motorem pokroku, na kterém se dlouhodobě podílejí i čeští vědci. „Patříme k vědecké špičce – výzkum jaderné fúze má v Česku dlouhou tradici. Například tokamak COMPASS, který jsme do loňského roku provozovali v našem ústavu, přinesl řadu důležitých poznatků i pro konstrukci tokamaku ITER,“ říká Pánek. V Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd nyní vzniká nový tokamak COMPASS Upgrade, který bude mít zcela unikátní parametry a spuštění je naplánováno na rok 2026.

V Česku je tak aktuálně v provozu pouze tokamak GOLEM na Českém vysokém učení technickém v Praze, který je nejstarším a nejmenším provozovaným tokamakem na světě a slouží pro výukové účely. Na fúzních výzkumech se z tuzemských institucí dále podílí například Ústav jaderného výzkumu v Řeži, laserové centrum PALS (společné pracoviště Ústavu fyziky plazmatu a Fyzikálního ústavu Akademie věd) či ELI Beamlines v Dolních Břežanech.

Věčných dvacet let

Kdy budeme mít komerční fúzní elektrárny? Vědecká komunita zabývající se jadernou fúzí již od padesátých let minulého století slibuje, že to bude „za dvacet let“. Milan Holec je optimistou a věří, že současný průlom je významným impulzem, který další technologický vývoj značně urychlí.

„Přirovnal bych to k rozvoji letectví. První letadlo postavili bratři Wrightové roku 1903. O patnáct let později, po skončení první světové války, nastalo něco, čemu se říká zlatá éra aviatiky – ohromný rozvoj. Letecká doprava se stala poměrně běžnou věcí. Přesně to bychom teď dovedli udělat s fúzí,“ míní vědec, podle kterého bychom mohli za patnáct let mít k dispozici fúzní reaktor, který by dokázal pálit několikrát za sekundu

Podle Pánka ale většina vědecké komunity zabývající se fúzním výzkumem předpokládá, že první fúzní reaktory budou na principu tokamaků, jejichž vývoj je v současnosti po technologické stránce výrazně pokročilejší. „Hlavními milníky jsou realizace tokamaku ITER, který bude produkovat přes 500 megawattů fúzní energie, a stavba prototypu fúzní elektrárny DEMO. První elektřina z jaderné fúze by tedy do elektrické sítě mohla proudit kolem roku 2050,“ shrnuje Pánek evropské plány.

Do hry se dostávají i soukromé firmy, jak jsme psali již před rokem. Ty slibují, že by zajímavých komerčních výsledků mohly dosáhnout do deseti let. Dle Radomíra Pánka se ale jedná spíše o nereálné sliby. Jak to celé dopadne, se dozvíme až časem, jisté ale je, že o fúzních novinkách a rekordech teď budeme slýchat mnohem častěji. 

Jaderná či nukleární fúze

Je to typ jaderné reakce, při které dochází za velmi vysokých teplot ke slučování atomových jader, což vede k uvolnění energie. Jak? „Když se spojí dvě jádra vodíku, vznikne jádro helia, které je katapultováno z místa reakce – to je ta energie,“ vysvětluje Milan Holec. Termojaderná fúze je zdrojem energie většiny hvězd včetně Slunce. Umělá fúze (opak dnešních jaderných elektráren, kde dochází ke štěpení jader atomů) by mohla být bezpečným, udržitelným a ekologickým zdrojem energie.

Co je plazma?

„Pokud je plazma ženského rodu, ‚ta plazma‘, tak je krevní. Plazma středního rodu je čtvrté skupenství hmoty,“ usmívá se fyzik Milan Holec, který zkoumá „to plazma“. První a – co se týká možností pohybu jednotlivých částí – „nejkonzervativnější“ formou hmoty je pevná látka, která odpovídá nízkým teplotám. Když se teplota zvýší, možnosti pohybu rostou, až může dojít k roztání krystalické mřížky a vznikne tekutina. Pokud teplota stoupne ještě více, vytvoří se plyn, ve kterém jsou částice ještě svobodnější. Když teplota dál stoupá, začnou se z obalů atomů a molekul odlupovat elektrony. Jsou pak nezávislé na atomových jádrech a vznikne plazma – nejrozšířenější skupenství ve vesmíru. „Na Zemi se s plazmatem lze setkat při elektrickém výboji ve formě blesku, při sváření obloukem nebo v plamenu modré barvy, kde fyzika plazmatu hraje důležitou roli,“ vyjmenovává Holec. Pro to, aby se v plazmatu začala slučovat atomová jádra, jsou potřeba velmi specifické podmínky. „Někdy se tak hovoří o fúzním plazmatu. Jádra zbavená elektronů se v něm pohybují tak rychle, že když se srazí, mohou navzájem splynout. Fúze je poměrně obtížná. Jádra mají stejný elektrický náboj, proto se navzájem odpuzují. Když ale mají dostatečnou rychlost, odpor překonají a mohou se začít spojovat, při tom náhle dochází k uvolnění neuvěřitelného množství energie.“

Fúzní poprvé roku 2022

Vědcům z americké laboratoře Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) se v prosinci poprvé v historii podařilo provést jadernou fúzi, při které vzniklo více energie, než kolik jí reakce spotřebovala. Pomocí 192 laserů získali 3,15 megajoulu energie, tedy o třetinu více, než kolik spotřebovaly samotné lasery. Vědci ale nepočítali energii potřebnou na nabití laserů (zhruba 330 megajoulů).

V únoru loňského roku přelomových výsledků dosáhli i vědci a inženýři konsorcia EUROfusion na evropském tokamaku Joint European Torus (JET) v Británii, kdy dokázali po dobu pěti sekund konstantně generovat fúzní výkon téměř dvanáct megawattů, to znamená rekordních 59 megajoulů fúzní energie. Na úspěchu se podíleli i čeští vědci z Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd.

Tokamak ITER

Na jihu Francie vzniká druhý nejdražší mezinárodní vědecký projekt s rozpočtem zhruba dvacet miliard eur – tokamak ITER (prvenství drží Mezinárodní vesmírná stanice ISS), který by měl být uveden do provozu v roce 2026. Po postupném navyšování parametrů by měl ITER v roce 2035 generovat přes 500 megawattů fúzní energie po dobu desítek minut. Na projektu se podílí 35 zemí světa včetně Česka. „Tokamak ITER je zcela klíčovým mezistupněm pro komerční využití jaderné fúze,“ míní Radomír Pánek, místopředseda správní rady evropské agentury Fusion for Energy (F4E), která realizuje projekt ITER, a zároveň předseda Technického poradního panelu projektu.