Jadernou fúzi zkrotíme. Tentokrát doopravdy

Až se bude časem vzpomínat na to, co zajímavého se ve vědě odehrálo v roce 2022, zmíní historici nejspíš jadernou fúzi. V jejím výzkumu totiž padla bariéra, na jejíž překonání se čekalo od padesátých let minulého století: poprvé došlo k takzvanému zapálení, což znamená, že reakce probíhající v nitru hvězd, kterou se lidstvo snaží zkrotit k výrobě elektřiny, vyprodukovala v laboratoři více energie, než kolik bylo nutné vynaložit na její zažehnutí. Zajímavé je, že se podařilo způsobem, který se dříve netěšil velké důvěře: pomocí laserů.

Na rozdíl od běžných jaderných reaktorů, v nichž se štěpí velká a těžká jádra uranu, se při jaderné fúzi naopak slučují atomová jádra lehkých prvků, jako je vodík. Aby překonala síly vzájemného odpuzování, je třeba hmotu nesmírně zahřát a případně i stlačit. V livermorské národní laboratoři v Kalifornii (Lawrence Livermore National Laboratory) k tomu využívají paprsky 192 laserů laserového komplexu NIF (National Ignition Facility), jež synchronizovaně, ze všech stran, zasahují vodíkový terčík o velikosti špendlíkové hlavičky. Lze to přirovnat k výbuchu miniaturní vodíkové bomby, který zatím vyprodukoval energii postačující zhruba na hodinu provozu mikrovlnné trouby. O zapálení fúze se vědci v NIF snaží již déle než deset let - a poprvé uspěli právě v prosinci 2022. O souvislostech jsme hovořili s fyzikem Ondřejem Klimem z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT.

Překvapily vás nedávné výsledky z livermorské laboratoře, překonání důležité bariéry ve výzkumu jaderné fúze?

Tak trochu jsme je čekali už od srpna 2021, kdy došlo k prvnímu velkému úspěchu, předzvěsti zapálení fúze. Energie, kterou se tehdy podařilo získat, sice ještě nebyla dostatečná, abychom mohli o zapálení mluvit, ale bylo jasné, že k úspěchu už není daleko.

Laserové zařízení NIF „vystřelí“ na vodíkový terčík zhruba jednou za čtrnáct dní. Proč je frekvence experimentů tak malá, z hlediska možné budoucí fúzní elektrárny zcela nedostatečná?

Teoreticky mohu lasery střílet i několikrát za den, v praxi ale nějakou dobu trvá, než se po výstřelu vše znovu připraví – třeba veškerá diagnostika, měření v komoře, kde laserové paprsky zasahují terčík. Dovnitř této komory lidé nemohou, se vším se v ní manipuluje pomocí robotických ramen. Při výstřelu vzniká rentgenové a gama záření a může aktivovat materiály komory, takže je v ní pak nějakou dobu zvýšená radiace. Druhý důvod je, že každý výstřel je velmi drahý a před jeho opakováním je potřeba pečlivě analyzovat, co se vlastně událo a jak podmínky upravit, abychom se příště dozvěděli něco nového. Máte ale pravdu, v budoucí elektrárně by se výstřely musely opakovat několikrát za vteřinu, což je v tuto chvíli obtížně představitelné.

Prezident Biden žádal, aby se fúzi podařilo přimět ke komerční výrobě elektřiny už během následujících deseti let. Věříte, že je to možné?

Myslím, že ovládnout fúzi tak, aby komerčně dodávala energii do sítě, se během tak krátké doby nepodaří. Teď se povedlo získat pomocí fúze jedenapůlkrát více energie, než kolik se vynaložilo na její zapálení. V tom ovšem není započtena energie, kterou se laser nabíjí, ale pouze energie, která z laseru vychází, což kvůli energetickým ztrátám není totéž. Účinnost laserů lze zvýšit, ale k dalším ztrátám bude docházet při výrobě elektřiny. Ta by probíhala přes běžný Carnotův cyklus; vyrobíte páru, která pak roztáčí turbínu jako v běžné tepelné elektrárně. Účinnost je tu asi čtyřicetiprocentní. Celkově vychází, že bychom museli zvýšit energetický zisk z fúzní reakce natolik, abychom z ní získali několikasetkrát víc energie, než kolik na ni vynaložíme. Oproti současným výsledkům o dva řády. To by se možná za deset let dalo zvládnout, ale ne pomocí zařízení NIF. Navíc to není jediná překážka v komerčním využití laserem zapálené fúze, takže bych to viděl spíš na několik dekád, řekněme na třicet let. To říkám s vědomím, že se mi kolegové budou smát, protože podobný časový horizont už nabídlo mnoho lidí přede mnou a nikdy se nenaplnil. Tentokrát se mi to ale zdá opravdu reálné.

Existují představy, jak dosáhnout toho, aby lasery zasahovaly terčík třeba desetkrát za vteřinu?

V současnosti je vodíkový terčík o velikosti špendlíkové hlavičky umístěn ve zlatém válečku s rozměry gumy na tužce. Váleček zasáhnou lasery, vznikne rentgenové záření a teprve toto záření zahřívá a stlačuje vlastní terčík. S kolegy se shodujeme, že tento způsob není pro výrobu energie příliš vhodný. Lepší by bylo, kdyby se střílelo přímo na terčík. Experimenty už probíhají, ovšem nikoliv v Livermore, ale na jiných laserech, které nemají takovou energii a zapálení nedosáhnou. Je to ale cesta, která umožňuje terčíky do komory jeden za druhým vstřelovat - nějakým urychlovacím mechanismem, dělem. Muselo by se sledovat, kudy přesně terčík letí, a lasery by se zaměřily na místo, kde by očekávaly, že terčík v daném okamžiku bude. Pak by vystřelily.

Je reálné trefit letící terč 192 lasery koordinovaně, v jediném okamžiku a ze všech stran?

Puls laseru je velmi krátký, terčík za tu dobu nestihne urazit skoro žádnou vzdálenost. Nicméně je to náročné, lasery musí mířit opravdu s velikou přesností, aby k fúzi došlo. Další problém může spočívat v tom, že terčík je nyní chlazen na velmi nízkou teplotu asi jen 17 stupňů nad absolutní nulou, tedy asi minus 256 stupňů Celsia. Je to vlastně led vzniklý z plynu, který obsahuje různé izotopy vodíku. A ten zmíněný zlatý váleček, uvnitř kterého terčík teď je, pomáhá odstínit tepelné záření z okolí. Když jej odstraníme, lze si představit, že se led v terčíku bude rychleji tavit. Ale technické detaily tak přesně neznám.

Myslíte, že se fúzi podaří dříve ovládnout pomocí laserů, nebo magnetických pastí, tokamaků, jako je experimentální reaktor ITER, který se staví ve Francii?

Úplně nevím, na kterou stranu bych se přiklonil, nicméně ve fúzi zapálené laserem je nevyřešených problémů víc. K zapálení fúze mělo v laserovém centru NIF dojít už v roce 2012, ale dlouho se to nedařilo. Proto vlastně nikdo moc nezkoumal, kudy se pak ubírat dál. Pořád se čekalo, jestli vůbec k zapálení dojde, a v posledních letech se zdálo, že s tímhle laserem to asi nepůjde - a pokud je to vůbec reálné, bude se muset postavit nějaké nové zařízení. Naproti tomu u tokamaků víme, že ITER zapálení zvládne, takže se víc přemýšlí o tom, co bude dál. Zároveň je ale možné, že až v NIF zapálení pomocí laserů lépe prozkoumáme, zjistíme, že můžeme fázi vývoje, kterou teď reprezentuje ITER, přeskočit a postavit rovnou něco jako demonstrační elektrárnu; projekt, který by ještě nebyl komerční, nedodával by energii do sítě, ale ukazoval by cestu jak dál.

A byl by tedy na bázi laserů?

To nelze říct tak jednoznačně. Dřív se hodně uvažovalo také o použití urychlovačů. Výzkum v téhle oblasti není tak daleko jako u laserů, ale urychlovače mají velikou výhodu v tom, že mají dobrou energetickou účinnost a umožňují dostatečnou opakovací frekvenci výstřelů. Urychlovaly by se v nich těžké ionty, kterými by se pak střílelo na terčík.

Proč vůbec zkoumat jadernou fúzi jako možný zdroj energie, když je kolem nás dost obnovitelných zdrojů, slunce, větru a podobně? Oproti nim jde o další komplikované, centralizované a zřejmě i drahé řešení.

Neumíme říci, jak bude vypadat energetika za desítky let. Pokud budeme chtít vyrábět energii pouze z obnovitelných zdrojů, budeme ji muset umět ve velkém měřítku ukládat, abychom měli rezervu pro dobu, kdy dostatečně nesvítí slunce a nefouká vítr. Zatím se ukazuje, že kromě obnovitelných zdrojů je důležité mít k síti připojen i další, stálý zdroj. Pokud nechceme jít cestou tradiční jaderné energie nebo spalování fosilních paliv, může být fúze v budoucnu důležitá.