Fúze bude

„Fúze bude za 500, spíše za 1 000 let,“ sdělila mi doktorka K. H. z Regionálního centra pokročilých materiálů a technologií při Přírodovědecké fakultě University Palackého v Olomouci. V současné době se paní doktorka zabývá ve Švédsku výrobou metanolu ze vzdušného oxidu uhličitého (viz recenzi knížky Charlese Graye „Zelené slunce" zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/recenze/2181-charles-e-gray-zelene-slunce). Co vedlo paní doktorku k tak drsné prognóze? Obavy z konkurence? Odlehlost fúze od její odbornosti? Nebo naopak hluboké znalosti stavu výzkumu termojaderné fúze? Shodou okolností se nedávno objevily zajímavé úvahy profesora Scotta L. Montgomeryho na téma konkurenceschopnosti termojaderné fúze coby zdroje energie (https://theconversation.com/ why-nuclear-fusion-is-gaining-steam-again-93775). Dovolím si je volně interpretovat.

Asi se shodneme v tom, že současný stav přístupu společnosti ke zdrojům energie (pokud odmyslíme fyzikálně nesmyslný pojem „zdroj energie“) není obecně ideální a perspektiva jak ho zlepšit je mlhavá. Spotřeba energie roste a řešit deficit otvíráním nových uhelných elektráren (jako to dělá náš soused Německo) není s ohledem na jejich produkci oxidu uhličitého – skleníkového plynu – udržitelný. Co bychom tedy od jiných elektráren očekávali, kromě toho, že nesmějí produkovat škodlivé emise, případně skleníkové plyny?

Musí být dostatek paliva, nejlépe rovnoměrně rozloženého po zemském povrchu, nemělo by být radioaktivní a současně ani odpad by neměl být škodlivý, zpracovávaná/primární energie by měla mít dostatečnou hustotu (joule/m³), v žádné fázi výroby by neměla energie být vojensky použitelná. Důležitá je rovněž cena vyrobené kilowatthodiny, tedy konkurenceschopnost. Není požadavků příliš mnoho?

Jaké má lidská společnost dnes možnosti?

Elektrárny na fosilní paliva jsme škrtli hned na počátku. Mimochodem: kdyby jakákoliv jaderná elektrárna do svého okolí vypouštěla stejné množství radioaktivních izotopů, jakými neustále zamořují své okolí uhelné elektrárny, organizovala by se už dávno vlna občanských nepokojů (https://danatenzler.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=542938) a státní úřad pro jadernou bezpečnost by jí nikdy nedal licenci k provozu (o uhelkách ovšem nerozhoduje...).

Velkou módou jsou tzv. obnovitelné zdroje. Zde je na místě citovat S. L. Montgomeryho: „Obnovitelné zdroje energie nabízejí hustotu energie o 12 řádů nižší než dnes nejpoužívanější paliva pro tepelné elektrárny“ (uhlí, nafta, plyn).  Dál máme jaderné elektrárny pracující na principu jaderného štěpení. Štěpitelné palivo je schopné uvolnit v jedné jaderné reakci energii v jednotkách miliónů elektronvoltů (MeV). Dějiny využívání energetických zdrojů logicky míří k vyšším hustotám energie. Což Montgomery potvrzuje trivialitou: „Pokud mermomocí chceme čerpat energii ze Slunce a skutečnost konfrontujeme s nabídkou, atmosférické jevy stačit nebudou!“

Jaderné reakce jsou dvojího druhu

Historicky dříve byla využita reakce štěpení jader těžkých atomů (např. uran 235). Druhý způsob – slučování jader lehkých atomů – byl sice uskutečněn v laboratoři dříve (Rutherford, Harteck, Oliphant, 1934), než vůbec byla známa štěpná reakce (Hahn, Strassmann, 1939), ale na její komerční využití stále čekáme. Jaderná fúze disponuje přibližně desetkrát větší hustotou energie než jaderné štěpení.

Další kriteria pro vhodný energetický zdroj

Co se hustoty výchozí energie týká, je volba jasná – fúze jader lehkých atomů vyhrává. Jak je na tom fúze vzhledem k ostatním kriteriím? První fúzní reaktory by měly používat slučování jader těžkého a super těžkého vodíku – deuteria a tritia. Deuteria je dost všude tam, kde je běžný vodík: vyskytuje se s ním v poměru cca 1 : 6 000, takže ho je „nevyčerpatelně“ dost. Tritium lze vyrobit bombardováním lithia neutrony z reakce D+T. Jak deuteria, tak tritia je tedy dostatek. Deuterium radioaktivní není a tritium slabě. Vzhledem k výrobě tritia v samotném reaktoru nebude tritium ohrožovat personál, natož obyvatelstvo. (Tím není řečeno, že obsluha tritiového hospodářství nepodléhá přísným pravidlům.) Odpadem reakce D+T je vzácný plyn helium, který není ani toxický, ani skleníkový, ani radioaktivní. Fúzní neutrony však nejen vyrábějí tritium, ale i relativně slabou sekundární radioaktivitu konstrukčních materiálů. Slabá aktivita nevyžaduje dlouhodobá úložiště, pouze vyhasínací nádrže v areálu elektrárny. Tím jsme vyjmenovali přednosti jaderného slučování a zúžili volbu na jadernou fúzi. Mimo to, fúze paliva D+T není zdaleka jedinou možností. Přes reakci D+D směřuje vývoj k bezneutronové reakci vodíku a boru. (Posledně jmenované reakce však vyžadují mnohem náročnější podmínky než D+T a v současné době jim nedokážeme vyhovět.)

Proč bychom chtěli být chytřejší než vesmír?

Vesmír funguje díky termojaderné fúzi! Ne díky fosilním palivům, a už vůbec ne díky „obnovitelným“ zdrojům. Když už jsem nakousl obnovitelnou tématiku, musím zmínit kuriózní, nicméně chvályhodnou snahu jednoho kolegy: prosazování návrhu zařadit řízenou termojadernou fúzi mezi „obnovitelné zdroje“. Pochopitelně, že má nezpochybnitelnou pravdu – fúze je mnohem obnovitelnější než vítr nebo fotovoltaika - ale zastáncům obnovitelných zdrojů vstávají vlasy hrůzou na hlavě.

Inerciální a magnetický přístup k fúzi

Inerciální přístup představuje například laserová fúze, magnetický zase fúze tokamaková. V poslední době se inerciální fúze reprezentovaná Národním zapalovacím zařízením (NIF) v USA ne-li opouští, tak opožďuje, a na její místo se tlačí magneto-inerciální přístup, který vyplňoval již dříve mezeru, co se týče doby udržení energie, mezi inercí a magnetickým udržením. Mezera nebyla prázdná nikdy – viz pinčové zařízení Z-machine v Sandia National Laboratories, Albuquerque, Nové Mexiko – ale nyní je jaksi plnější. Nelze ovšem zapomenout na další hráče. Díky výkonným počítačům se probudily stelarátory, v mnohém podobné tokamakům, až na to, že principálně mohou fungovat nepřetržitě, což tokamaky – transformátory – nemohou, ač se o to vehementně snaží.

Ve fúzi věří nejen vědci, ale i podnikatelé

Montgomery doslovně říká: „Myšlenky, které od osmdesátých let značně ovlivňují americký federální rozpočet, tvrdí, že to budou trhy, které budou budovat energetickou budoucnost, nikoli státní podpora.“ Tato skutečnost spolu nespornými úspěchy stavby gigantického tokamaku ITER doslova zažehla explozi fúzních soukromých společností jak ve Spojených státech, tak ve Spojeném království. Jejich společným heslem se stalo „menší, lacinější, rychlejší“ (rozuměj: než tokamak ITER)!

42 hektarů plných nesmírně složité techniky nezbytné k budování tokamaku ITER vedou podnikatele ke snaze dosáhnout stejného výsledku, který propaguje ITER, s relativně malým, kompaktním a tudíž lacinějším a rychleji postaveným zařízením.

Doba udržení

Je dobré si na tomto místě uvědomit, že ze tří parametrů – hustota a teplota plazmatu, resp. doba udržení energie vystupujících v Lawsonově kriteriu pro ziskovou fúzi, je kritická právě doba udržení energie termojaderného media – plazmatu. Dobu udržení v případě magnetické fúze můžeme ovlivnit dvěma způsoby. Za prvé kvalitou a intenzitou udržujícího magnetického pole, za druhé velikostí objemu plazmatu. ITER ve snaze dosáhnout potřebné doby udržení energie plazmatu vsadil na jeho objem. Proto bude tokamak ITER daleko největším termojaderným zařízením, které se kdy postavilo. Zatímco dosud největší současný tokamak, evropský JET, má objem plazmatu 80 m³, ITER bude mít 800 m³ a budoucí komerční tokamak bude mít objem plazmatu ještě větší.

Síla magnetického pole

Nabízí se otázka, co druhá možnost - síla magnetického pole? V době plánování tokamaku ITER se vycházelo z tehdy známých supravodičů – slitin Nb₃Sn a Nb-Ti. Dnes se však objevila možnost použít mnohem účinnější supravodiče z kovů vzácných zemin REBCO (Rare Earth Baryum Copper Oxide). Nejméně tři společnosti (konsorcium MITei, Applied Fusion Systems, Tokamak Energy) ohlašují využití této „novinky“ z osmdesátých let ve svých zařízeních. Není bez zajímavosti, že REBCO chtějí použít u kompaktní modifikace tokamaků, známé pod přívlastkem kulové. "Fúzní soukromníci" jsou dílem nadšenci (kteří, zdá se, netuší, do čeho se pustili), dílem zaťatí optimisté (kteří věří, že jejich podivnost bude fungovat).

Konečné slovo

Konečné slovo nechť patří opět citátu pana Montgomeryho: „Svět je víc než dost bohatý na to, aby přijal, co věda a logika radí - podporovat řadu různých přístupů k fúzi. Byl to Walter Teagle z Exxonu, ropný podnikatel, který poznamenal, že by bylo lepší budoucnost vytvořit, než být nucen na ni reagovat, až přijde sama.“

Konečné slovo? Zahájili jsme citátem doktorky K. H., nechť paní doktorka naší úvahu také uzavře: „To, co je trochu reálnější (než fúze) - se širokým využitím dříve než za 100 let také nepočítám - je přeměna CO₂ na metanol pomocí reálného slunce. Tedy nikoliv člověkem vyrobeného zeleného slunce.“

Laskavý čtenář si udělá představu sám.