Chtějí snést slunce na zem

1.8.2018

JADERNÁ FŮZE - Soukromé firmy i jednotlivci se odvažují sázet na jadernou fúzi. Přitom koluje vousatý vtip, podle kterého jaderné fúze vždy byla, je a bude vzdálena pouhých 20 let od praxe. Jaký je vývoj?

Zoom galleryTento teoreticky extrémně bohatý a také čistý zdroj energie, který mimo jiné „pohání“ všechny hvězdy ve vesmíru, se lidstvo pokouší prakticky ovládnout bez úspěchu zhruba tři čtvrtě století, průlom se ale stále ještě nedostavil. Přesto v poslední době tento obor přitahuje investory, kteří smyslem pro humor a lehkovážným rozhazováním peněz neprosluli, jako jsou velké ropné společnosti. Proč? Zdá se, že v několika klíčových oborech se technický vývoj posunul natolik, že staré překážky se daří překonávat. Před výzkumníky a konstruktéry tak snad stojí reálná možnost zkoumat nové cesty k vytvoření Slunce na Zemi.

Zatím se zdá, že výhody ve větší míře dokáží využívat malé a flexibilní soukromé společnosti než státy financované výzkumné subjekty, byť třeba výsledky, na kterých stojí, pocházejí z akademického prostředí. Možná je to dáno tím, jak dnes vypadá podpora vědy a výzkumu ve státním sektoru, která podobným riskantním projektům nepřeje, možná hrají větší roli jiné faktory. V každém případě se na některé příklady nových „fúzních podnikatelů“ pojďme podívat.

Za peníze z ropy

Začněme u jedné na pohled velmi překvapivé letošní zprávy: italský ropný gigant ENI investoval 50 milionů eur do start-upu Commonwealth Fusion Systems (CFS), který vznikl na slavné americké technické univerzitě MIT. Společnost CFS je přitom mladý spin-off, který se zrodil v laboratoři fúzní fyziky na univerzitě MIT, a zatím za sebou nemá prakticky žádné výsledky. Myšlenka uzrála zhruba před dvěma lety, firma vznikla krátce poté a její dnešní plány říkají, že by mohla během 15 let postavit fúzní reaktor řádově se zhruba 100MW výkonem. Klíčové výsledky by měla představit během tří let. Není to tak nesmyslný slib, jak by se mohlo zdát: kupodivu jde totiž o poměrně konzervativní projekt, který využívá nejlépe prošlapané cesty k fúzi – tokamaku.

Tokamak je zařízení ve tvaru toroidu (laicky nafouknuté autopneumatiky), které vzniklo v 50. letech v SSSR a už desetiletí je považováno za nejslibnější prostředek k vytvoření fúzní energetiky. Jde v podstatě o rafinovanou magnetickou past na plazma o vysoké teplotě i tlaku. Slučování jader totiž probíhá pouze za velmi vysokých teplot a tlaků, aby zúčastněné atomy měly dost energie překonat vzájemný odpor.

V pozemských podmínkách je nejslibnější slučování izotopů vodíku deuteria a tritia, pro které je nutné dosáhnout teploty „jen“ zhruba 150 milionů stupňů. Při ní se z atomů odtrhují elektrony a zbývající ionty mají dost energie na to, aby čas od času překonaly vzájemné odpudivé síly. Jak to tak bývá, koncepce tokamaku má své vlastní technické problémy (třeba jak indukovat proud v plazmatu), především je však plazma nepředvídatelné a chaotické prostředí. Problémy s tím spojené se řeší už desítky let a pokrok v této oblasti je patrný – jen ne zatím dostatečný.

Nemůžeme se dohodnout...

Přesně proto i největší fúzní projekt současnosti, ve Francii stavěný mezinárodní reaktor ITER, na kterém se podílí zhruba 30 zemí včetně České republiky, je právě veliký tokamak. ITER by měl ukázat, že fúze může vyrábět o několik řádů více energie, než kolik potřebujeme k jejímu udržení. A že tedy jde o dost bohatý zdroj na to, abychom ho mohli skutečně někdy v blízké době reálně využít.

Ovšem ITER má své nemoci. Složitá struktura mezinárodního projektu vedla k neustálým odkladům. Projekt začal v roce 2002 a reaktor už měl dnes pracovat, ve skutečnosti si na jeho spuštění počkáme nejméně někdy do roku 2025. A ještě několik dalších let bude trvat, než dosáhne svého plného výkonu a energetické ziskovosti. A to jsme ještě nezmínili, že projekt ITER během dlouhých let rozpočtových nemocí přišel o systém na výrobu elektřiny z fúzní energie a neexistuje možnost, jak takové zařízení do reaktoru přidat. Přitom to je jeden z klíčových komponentů, kterou zatím nikdo nezkoušel a kterou je nutné dokonale zvládnout.

Zoom gallery

Foto: Zakladatelé Commonwealth Fusion Systems z MIT, zleva Martin Greenwald, Zach Hartwig a Dennis Whyte.

 Právě kvůli zpožďování ITERu vznikla firmička CFS. Její zakladatelé z MIT se domnívají, že mohou velký projekt předběhnout díky jedné klíčové technologické výhodě, která dozrála do použitelné podoby až po uzavření projektu ITER. Jde o materiály pro obří cívky, které vytvářejí magnetické pole kolem komory s plazmatem.

Z YBCO lze postavit výrazně silnější magnety. Plánovaný demonstrační projekt firmy CFS SPARC bude malý (vnější poloměr „pneumatiky má být jen 1,65 metru, což samozřejmě znamená, že by měl být poměrně levný), ale jeho magnetické pole by mělo být téměř stejně silné jako pole ITERu, konkrétně 12 Tesla. Jeho plánovaný nástupce ARC (Affordable, Robust, Compact, čili „levné, robustní, kompaktní“) by měl být proti ITERu průměrem zhruba čtvrtinový, ale jeho magnetické pole by mělo být téměř dvakrát silnější: 23 Tesla proti 12 Tesla.ITER využívá osvědčené kovové slitiny niobu a cínu (Nb3Sn), které je nutné chladit tekutým heliem na teploty velmi blízké absolutní nule. (Kritický bod 18 K, chlazení heliem je zhruba na 4 K.) CFS chce postavit reaktor nazývaný SPARC ze supravodivé keramické sloučeniny, známé jako YBCO (jde o oxid mědi s ytriem a baryem). Byla objevena zhruba v půlce 80. let a pro výzkumníky v oboru představovala doslova požehnání, protože ji není nutné chladit heliem, ale podstatně levnějším dusíkem (kritický bod YBCO je 94 K, dusík je kapalný při 77 K).

V krátkých, desetisekundových pulzech má zhruba 50 až 100 MW fúzní energie. A co je důležitější, mělo by jít o první tokamak, který bude produkovat výrazně více, konkrétně asi třikrát více energie, než bude zapotřebí na rozběhnutí reakce.

Ropná společnost ENI vložila do projektu fúzního reaktoru SPARC 50 mil. USD

A jak to dopadne?

Skeptici správně poznamenávají, že na papíře vypadá dobře leccos. Vývoj může být hodně komplikovaný. Například proto, že supravodič YBCO je sice známý více než 30 let, ale technologii výroby vodičů z tohoto materiálu se podařilo zvládnout jen v několika posledních letech a samozřejmě velmi úzkému okruhu podniků a pracovišť. Tak veliké a silné magnety z něj také nikdy nikdo nepostavil, a tým CFS se tak vydává obrazně řečeno do konstruktérské divočiny. A takové výpravy mohou dopadnout všelijak.

Neznámá také není jen jedna. SPARC i ARC mají zřejmě stejně jako ITER využívat coby paliva tritium a deuterium. Při reakci se ovšem uvolňuje množství neutronů s vysokými energiemi, které degradují materiál fúzní nádoby a vytvářejí v něm mimo jiné i radioaktivní izotopy. Dnešní velké tokamaky někdy neutrony odstiňují jednoduše silnou vrstvou betonu, ale takový systém neumožňuje využít energii těchto částic. ITER bude mít zatím nikde nevyzkoušené vodní chlazení (velmi zjednodušeně řečeno). SPARC by měl využít chladicího systému obsahujícího sůl s vysokým bodem tání, což je metoda využívaná v některých experimentálních jaderných reaktorech. Ale asi už vás nepřekvapí, že na tokamaku ji ještě nikdo nezkoušel.

Jinak řečeno, CFS před sebou má spoustu práce, na kterou investice od ENI nepochybně nebude stačit. Což samozřejmě všichni vědí: představitelé ropné společnosti se nechali slyšet, že celkové náklady na vývoj možného prototypu odhadují na 3 miliardy eur, což dobře naznačuje, o jak nebezpečný a riskantní projekt pro soukromé investory jde. Udržet jeho financování po nezbytnou dobu rozhodně nebude nic jednoduchého ani v případě, že by podpora ENI vydržela i nadále, a všichni účastníci už dnes říkají, že v případě úspěšné první fáze doufají ve státní podporu.

Podpora firmou ENI se nám sice může zdát neobvyklá, ale rozhodně není ojedinělá. Její přímý konkurent, kanadská ropná společnost Cenovus, vložila již před několika lety menší prostředky (řádově miliony dolarů) do jiného „fúzního“ start-upu, společnosti General Fusion. Připojila se tak například k malajsijskému státnímu fondu Khazanah Nasional Berhad nebo majiteli Amazonu a nově nejbohatšímu muži světa, Jeffu Bezorovi.

Korporace i Batmani

Zoom gallery

První experimentální fúzní zařízení firmy General Fusion, které zakladatel společnosti Michel Laberge (na obrázku) začal stavět sám zhruba před 17 lety. Dnes už jde v podstatě o muzejní exponát, firma pracuje primárně s většími sestavami.

General Fusion sesbírala celkem zhruba 80 milionů dolarů, přitom na začátku stál jen sen, který si ke svým 40. narozeninám v roce 2001 nadělil kanadský plazmový fyzik Michel Laberge. Ten po studiích pracoval ve společnosti věnující se laserovém tisku a zpracování obrazu, práce ho ovšem příliš nebavila. Ve čtyřiceti se tedy rozhodl dát výpověď a pustit se do větších a zajímavějších problémů. A vybral si rovnou jeden z největších – otázku budoucnosti energetiky.

Obří ježatou námořní minu připomíná fúzní reaktor společnosti Fusion General

Laberge přitom vycházel z všeobecně přijímaného předpokladu, že výzkum jaderné fúze je výrazně podfinancovaný. Existuje celá řada slibných přístupů, ale prakticky veškeré peníze se soustředí na vývoj tokamaků. Kanadský vědec se tak rozhodl pokusit oživit směr jiný, se kterým se – nakonec samozřejmě neúspěšně – experimentovalo v 70. letech minulého století ve výzkumných laboratořích amerického námořnictva (tomu by se malý fúzní zdroj pochopitelně velmi hodil). Přístup se nazývá „fúze zmagnetovaného terčíku“ (Magnet Target Fusion) a na první pohled je snad ještě neuvěřitelnější než magnetická „pneumatika“ tokamaku s plazmatem o teplotách přes sto milionů stupňů.

Hodně zmáčknutý kulový blesk

Zařízení vypadá také zcela jinak a zvnějšku na pohled připomíná obří ježatou námořní minu. Výčnělky ovšem neobsahují roznětky, ale jde o konce pístů, které míří všechny do středu zařízení. V něm je veliká rotující komora, která se točí kolem svislé osy, a v „běhu“ obsahuje směs tekutého lithia a olova. Koule není kovu zcela plná a při rotaci se tak v ose rotace vytvoří vír. Do střetu víru se pak trubicí vstříkne předem připravená směs horkého nabitého plazmatu. Tento tzv. plasmoid si můžete nepřesně, ale ilustrativně představit jako malý kulový blesk.

Ve chvíli, kdy je plasma ve středu koule, všechny písty najednou udeří do povrchu kovové koule. V kouli tak vznikne rázová vlna, a plazma se tak na chvíli ocitne v pevném objetí úderem zpevněného kovu. Ten „kulový blesk“ stlačí na velmi krátkou dobu (celkem existuje cca 0,0005 sekundy) tak velikou silou, že se v něm vytvoří podmínky pro fúzi atomových jader. Při ní se uvolní „mračna“ rychlých neutronů, které se srazí s atomy okolního kovu a velmi rychle ho zahřejí. Rozžhavený kov se pak z komory odčerpá a teplo z něj poslouží k ohřátí média pro parní turbínu, a tedy výrobě elektřiny. Tato poslední část systému je vlastně nejjednodušší, protože jde o technologii dnes v podstatě běžnou.

Možná už je vám jasné, proč se „fúze zmagnetovaného terčíku“ v 70. letech americkému námořnictvu nakonec nezdála. Jde o proces, který je velmi těžké uřídit: stačí malá chyba v synchronizaci pístů a tekutý kov bude mezi nimi utíkat z komory ven. V prvním větším reaktoru General Fusion je přitom těchto pístů 200, a v další generaci 400. A v případné elektrárně by mělo k opakování procesu docházet jednou za sekundu. Laberge ovšem dospěl k názoru, že moderní počítače mají dostatečný výkon a rychlost, aby řízení tohoto typu fúze zvládly.

Zatím přitom rozhodně nedosahují ani zdaleka výkonů nutných pro případné nasazení v praxi, ale od založení firmy je pokrok patrný. Největší problémy jsou v současnosti zřejmě s udržením teploty plazmatu, aby v něm opravdu nastaly podmínky pro fúzi. Mělo by se jednat údajně o poslední velký problém předtím, než si firma bude moci troufnout na stavbu velkého prototypu se zajímavými parametry. Samozřejmě se může jednat o překážku nakonec nepřekonatelnou.

Ale možná také ne. Jak ukazuje příběh zakladatele General Fusion Michela Laberge, sen o vytvoření „Slunce na Zemi“ je svůdný a přitažlivý. I proto obor s velmi nejistými vyhlídkami znovu a znovu přitahoval schopné lidi. A jak ukazují příklady z našeho článku, a také několik dalších, na které nezbylo místo, navíc jde o sen s potenciálně zajímavými finančními charakteristikami.

Investice od ENI, Bezose a desítek dalších dokazují, že tyto společnosti dokáží investorům předložit minimálně velmi racionální plány rozvoje, které odolají i před skeptickým okem externích odborníků. To je mnohem více, než bylo možné o fúzi říci ještě před pár desítkami let.  

(spe)

Zoom gallery

Tokamaky jsou nejslibnější skupinou fúzních reaktorů. Vždy mají tvar toroidu (nafouknuté pneumatiky) a několik magnetických polí, které udržují plazmu uvnitř a také dostatečně daleko od stěn nádoby.

Schéma tokamaku: hlavními částmi tokamaku jsou prstencová vakuová komora umístěná jako sekundární závit transformátoru a cívky magnetického pole. Transformátorem indukovaný elektrický proud v plazmatu vytváří spolu s magnetickými cívkami magnetické pole bránící kontaktu plazmatu se stěnou nádoby a současně plazma ohřívá.

Jak dostat jádra k sobě

Princip jaderné fúze není vůbec nijak složitý: v reaktoru dochází k syntéze dvou atomů do jednoho atomu těžšího. Může se jednat o různé atomy, v současných plánech fúzních reaktorů se počítá se spojováním jader izotopů vodíku deuteria (2H) a tritia (3H), které se spojí podstatně ochotněji než například jádra běžného vodíku. V každém případě při DT fúzi vznikne jeden neutron s energií 14,1 MeV a jedno jádro helia s menší energií, cca 3,5 MeV. Při tom se uvolňuje energie v podobě rychlých neutronů, které je v principu možné energeticky využít k výrobě tepla a elektřiny. V praxi jde o velmi složitý problém, protože slučování jader je analogií řečeno podobná práce jako snaha přiblížit dva magnety stejnými póly k sobě.

Na Slunci šanci zvyšuje kombinace ohromného tlaku (fúze probíhá v jeho středu, ne u povrchu) a vysokých teplot. Na Zemi podobné tlaky nevytvoříme, a tak jdeme cestou zvyšování teploty: v největším fúzním projektu současnosti, tokamaku ITER, by teplota plazmatu měla dosahovat až 150 milionů stupňů. Většina fyziků dnes odhaduje, že energeticky ziskový fúzní reaktor musí být velký, s plazmovou komorou o rozměrech řádově desítek metrů. Plazma musí být jednoduše řečeno tak veliké, aby částice paliva (tedy jádra izotopů vodíku) v reaktivní oblasti pobyly dostatečně dlouho. V menších zařízeních jich příliš mnoho utíká ven. Zvenčí je sice můžeme doplňovat, ale ty se musí znovu ohřát, a to pak stojí více energie, než kolik uvolňuje fúze.

Jak plazma udržet

Tak horké plazma, jak je zapotřebí k dosažení vhodných podmínek pro fúzi, žádný materiál pochopitelně neudrží. A tak tokamaky využívají k izolaci superhorkého materiálu od stěn nádoby reaktoru „silového pole“, konkrétně pole magnetického. Tokamaky si při tom pomáhají průtokem elektrického proudu samotným plazmatem, který drží v komoře ve tvaru nafouknuté pneumatiky (toroidu).

Koncept tokamaku může znít zbytečně složitě – proč vůbec indukovat proud v plazmatu, když se lze obejít bez toho? Ale indukovaný proud udržení ve skutečnosti velmi výrazně zjednodušuje, protože přidává do rovnice další magnetické pole. Dohromady tak vzniká pole žádoucího tvaru, které vede plazma z oblasti slabého do oblasti silného pole a opačně. Jinými slovy, nabízí se tak způsob, jak kompenzovat nerovnoměrnosti v magnetickém poli, které jinak v důsledku vedou k úniku plazmatu.

Svět plný energie > Témata > Chtějí snést slunce na zem

Aktuality
3.10.2018 Pět set korun za připojení

100 LET - Stejně jako dnes platilo také samozřejmě i tehdy - za první republiky, že připojení do elektrické sítě nebylo zcela zadarmo. celý článek

17.9.2018 Přeceněná „chytrost“

AKTUALITY - Chytré sítě jsou dnes velkým trendem, ale jejich zavádění do praxe začíná ukazovat, že skutečnost se od slibů může někdy dosti lišit. celý článek

15.6.2018 Americký plyn zatím Evropě "nevoní"

AKTUALITY - Evropský trh, který se měl dle očekávání stát hlavním odbytištěm zkapalněného zemního plynu (LNG), zatím neprošel žádnou změnou. celý článek

1.6.2018 V květnu stoupla cena ropy na 80 dolarů

AKTUALITY - Poprvé zhruba od konce roku 2014 se ceny ropy na světových spotových trzích dostaly zhruba na 80 dolarů za barel ropy Brent. celý článek

26.3.2018 Největšímu výrobci elektromobilů nejdou baterie

AKTUALITY - Muskově Tesle neběží byznys úplně hladce. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ

Redakce:
Josef Janků,
Jakub Merta, Jan Gregor

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt:

Aktuality
3.10.2018 Pět set korun za připojení

100 LET - Stejně jako dnes platilo také samozřejmě i tehdy - za první republiky, že připojení do elektrické sítě nebylo zcela zadarmo. celý článek

17.9.2018 Přeceněná „chytrost“

AKTUALITY - Chytré sítě jsou dnes velkým trendem, ale jejich zavádění do praxe začíná ukazovat, že skutečnost se od slibů může někdy dosti lišit. celý článek

15.6.2018 Americký plyn zatím Evropě "nevoní"

AKTUALITY - Evropský trh, který se měl dle očekávání stát hlavním odbytištěm zkapalněného zemního plynu (LNG), zatím neprošel žádnou změnou. celý článek

1.6.2018 V květnu stoupla cena ropy na 80 dolarů

AKTUALITY - Poprvé zhruba od konce roku 2014 se ceny ropy na světových spotových trzích dostaly zhruba na 80 dolarů za barel ropy Brent. celý článek

26.3.2018 Největšímu výrobci elektromobilů nejdou baterie

AKTUALITY - Muskově Tesle neběží byznys úplně hladce. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ

Redakce:
Josef Janků,
Jakub Merta, Jan Gregor

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt: