Elektrickou energii potřebujeme stále víc a je jedno, zda je zima či léto. V zimě s ní víc svítíme a topíme, v létě nám pohání klimatizaci. Jak jí však vyrobit víc a přitom nezaneřádit ovzduší skleníkovými plyny?
Reklama
Recept nám poskytuje samo Slunce. Nemusí ale sloužit jen k pohonu fotovoltaických elektráren. V jeho středu totiž probíhá termojaderná fúze nebo také termonukleární reakce. To je děj, kdy se slučují pomocí vysoké teploty a tlaku atomová jádra, v případě Slunce jádra vodíku.
Pro naše potřeby postačí, když se promění na energii jen necelé procento hmoty protonů.
Na to, že bychom něco podobného mohli zkusit i na Zemi, přišli už Andrej Sacharov a Igor Tamm v polovině minulého století v Sovětském svazu. Navrhli také princip zařízení, díky kterému by se to mohlo povést. Reaktor fúze nazvali tokamakem, což je zkratka pro toriodní komoru v magnetických cívkách.
Uvnitř hvězdy
Problém je ovšem v tom, jak vyvolat podmínky, které panují uvnitř Slunce. Nejjednodušší cestou, jak donutit protony, aby se sloučily, je jejich zahřátí na velmi vysokou teplotu v řádu sta až dvou set milionů stupňů Kelvina (s klidem bychom mohli napsat Celsia, protože ten v poměru k hodnotám nepatrný rozdíl nehraje už roli) a pak ji řízeně udržet. Hmota se za této teploty mění v ionizovaný plyn – plazma, tedy čtvrté skupenství hmoty. Jestliže se tohle podaří, je nutné udržet plazma v dostatečné vzdálenosti od stěn komory, v níž ho vytvoříme.
Prvním zařízením, které dokáže využít k výrobě energie spojení jader atomů, by měl být Mezinárodní termojaderný pokusný reaktor.
Důležité jsou právě tlak a teplota, protože normálně se jádra atomů odpuzují, jelikož jsou nabitá stejně kladně. Tlak a teplota způsobí jejich přiblížení, kdy se dostává navrch přitažlivá jaderná síla. Tohle přesně se děje v nitru našeho Slunce a většiny dalších hvězd podobné velikosti. Takzvaný proton-protonový cyklus, při němž se slučují protony, tedy jádra vodíku, a vzniká hélium, je poměrně složitý proces, probíhající v několika krocích. Pro naše potřeby postačí, když se promění na energii jen necelé procento hmoty protonů.
Čekání na ITER
Tento proces by měl v pozemských podmínkách vyvolat (a pak hlavně udržet) právě tokamak. Je to složité zařízení s komorou v podobě toroidu. Ten si můžeme představit jako nafouklou duši kola traktoru, ovšem uvnitř je vakuum. Tento toroid je zároveň sekundárním závitem transformátoru. V komoře je pak generován proud, jenž zjednodušeně řečeno nedovolí zde vytvořenému plazmatu kontakt se stěnami. Obdobným zařízením je stelarátor, u něhož plazma mimo kontakt se stěnami udržuje magnetické pole vnějších cívek.
Prvním skutečně použitelným zařízením, které dokáže využít k výrobě energie spojení jader atomů, by měl být Mezinárodní termojaderný pokusný reaktor (International Thermonuclear Experimental Reactor), tedy zkráceně ITER. Výraz „iter“ zároveň znamená v latině „cesta“, v tomto případě cesta do budoucnosti. O nezbytnosti spolupráce na jeho stavbě hovořili již Ronald Reagan a Michail Gorbačov v polovině osmdesátých let minulého století při politických jednáních, technická dokumentace však byla v zásadě připravena až v roce 2001.
Vyrobit energii do sítě se pokusí až projekt nazvaný DEMO, jenž by tak měl učinit někdy v polovině tohoto století.
Výstavba reaktoru začala v roce 2007 v Cadarache poblíž Azurového pobřeží ve Francii a participují na ní i Čína, Rusko, Korea a Indie, které se podílejí po jedné jedenáctině nákladů, Japonsko dvěma, Evropská unie čtyřmi jedenáctinami. Koncem roku 2017 však byla hotova zatím jen polovina stavebních prací, přičemž získání prvního plazmatu se předpokládá v listopadu 2025 a o deset let později spuštění na plný výkon. Jsou to však zatím jen dohady, stejně jako výše nákladů, jež by měla podle nynějších výpočtů dostoupit na čtyřicet miliard eur.
Kdo se těší, že si rozsvítí doma proudem z ITERu, má ovšem smůlu. Je to experimentální reaktor, který bude podobně jako první pokusné jaderné elektrárny více energie spotřebovávat než dávat, a jestliže se podaří vyvinout nějaké teplo, bude odvedeno do chladicích věží. Vyrobit energii do sítě se pokusí až následující projekt nazvaný DEMO, jenž by tak měl učinit někdy v polovině tohoto století.
Naše miliardová troška
Poněkud vágní budoucnost ITERu neznamená, že bychom měli složit ruce do klína. Tokamaky a obdobná zařízení pracují v laboratořích mnoha vědeckých ústavů na světě. Například na stelarátoru Wendelstein 7-X na Max Planck Institute for Plasma Physics v německém Greifswaldu se podařilo minulý měsíc dosáhnout rekordně horkého i hustého plazmatu. Teď se tamější vědci chystají vylepšit izolaci komponenty ze speciálních uhlíkových materiálů chlazených vodou. To by mělo pomoci udržet plazma po dobu až třiceti minut, což umožní další a přesnější testy.
Ruce v klín neskládáme ani u nás. Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR dostal první tokamak ze Sovětského svazu v roce 1977, před devíti lety byl zprovozněn jeho modernější typ původem z Velké Británie. Nyní se připravuje instalace vylepšené verze, označené COMPASS Upgrade, o desetinásobné hmotnosti a velmi vysokém magnetickém poli v řádu pěti Tesla pro udržení horkého plazmatu, v němž by měl být generován elektrický proud o velikosti až dvou megaampérů.
Na jeho vývoj a konstrukci dostane v následujících letech ústav téměř osm set milionů korun v rámci operačního programu Výzkum, vývoj a vzdělávání, jehož garantem je Ministerstvo školství mládeže a tělovýchovy. Zájem na spolupráci však už mají přední špičkové laboratoře zabývající se termonukleárním výzkumem v USA. V říjnu tohoto roku má proběhnout jednání zástupců ústavu fyziky na Ministerstvu energetiky ve Washingtonu a jeho součástí bude nejen precizování témat spolupráce, ale i další finanční podpora projektu. Snad i my tedy přispějeme k záchraně hýřícího lidstva od kolapsu klimatu a vynucených výpadků stále dražší elektrické energie.
foto: Shutterstock, zdroj: AVČR