V Praze vznikne světově ojedinělý fúzní reaktor, říká ředitel Ústavu plazmatu AV ČR

Radomír Pánek je ředitelem Ústavu plazmatu Akademie věd ČR. V únoru tohoto roku se stal jedním ze dvou místopředsedů správní rady Evropského společného podniku Fusion for Energy. Organizace se sídlem v Barceloně zajišťuje evropskou část Mezinárodního termonukleárního experimentálního reaktoru ITER. Zároveň povede Technický poradní panel této rady.

Cílem projektu ITER je realizace monumentálního zařízení na výrobu „čisté a téměř nevyčerpatelné energie“ (tzv. tokamak), které má za cíl prokázat možnost výroby elektrické energie z termojaderné fúzní reakce. Toto experimentální zařízení, na jehož vybudování se v jižní Francii podílí celý rozvinutý svět, by již mělo produkovat výkon 500 MW.

Navíc Ústav plazmatu disponuje vlastním tokamakem COMPASS, ve kterém se vykonávají nejrůznější experimenty pro ITER i pro jiné projekty. I o něm jsme si povídali v prvních dvou částech rozhovoru.

Jak technologie tekutých kovů funguje a jak se dá využít v tokamacích?

Materiály, které jsou v tokamaku v kontaktu s plazmatem, musí snést extrémní toky energie. Nejvíce tepelně namáhanou oblastí je část nazvaná divertor. Materiály v této oblasti musí dlouhodobě snést podobné podmínky, jako by se nacházely na povrchu Slunce. ITER bude pro tento účel využívat bloky wolframu, který jako jediný materiál bude schopen náročné podmínky vydržet. Nicméně již dnes víme, že v DEMO a v komerčních fúzních reaktorech, kde budou panovat ještě náročnější podmínky, nebude možné využít ani wolfram a je nutné hledat nové řešení.

Jedna z velmi slibných možností využívá technologii tekutých kovů, lithia nebo slitiny lithia a cínu, které budou vzlínat skrz speciálně připravený porézní blok wolframu. Díky kapilárním silám vytvoří tekutý kov na jeho povrchu tenkou vrstvu, na kterou bude dopadat horké plazma a postupně ji odpařovat. Tato tenká vrstva tekutého kovu bude ale kapilárními silami neustále obnovována a nebude tedy docházet k degradaci materiálu, který je v kontaktu s plazmatem.

Tato metoda byla již testována v několika tokamacích ve světě, ale za výrazně méně náročných podmínek. Proto bude náš nový tokamak COMPASS-U díky svým parametrům evropské testovací zařízení pro vývoj a testy této technologie pro fúzní aplikace. O spolupráci s námi na tomto vývoji je také velký zájem ze strany USA i Ruska.

Dosavadní testy tekutých kovů byly tedy nejspíš pozitivní.

Ano, vypadaly poměrně slibně. V minulém a letošním roce jsme realizovali i několik sérií experimentů na našem nynějším tokamaku a ty dopadly dokonce lépe, než jsme čekali. Ukazuje se totiž, že plazma dopadající na tekutý kov vytvoří oblak vypařeného kovu před povrchem materiálu, který pomáhá ještě účinněji odstínit materiálu od plazmatu. Nicméně toto vše je třeba otestovat za co nejreálnější podmínek a k tomu bude sloužit náš nový tokamak COMPASS-U, který bude jako jediný na světě schopen generovat podobné toky energie jako budoucí fúzní reaktory.

Zkonstruovat tokamak, který ale bude schopen s touto technologií pracovat, je velká výzva. Například stěna vakuové komory musí stabilně pracovat na teplotě až pět set stupňů Celsia, aby tekutý kov nekondenzoval na stěnách. O pár centimetrů dále ale budou umístěny velké několikatunové cívky, které se musí chladit na teplotu mínus sto sedmdesát stupňů. Navíc celý tento systém o váze okolo tří set padesáti tun, který se při ohřívání nebo ochlazování na tyto teploty rozpíná a smršťuje, musí být stále dokonale centrovaný, a navíc snést extrémní elektromagnetické síly, které během experimentu působí.

Po inženýrské stránce je to velmi náročný úkol a o spolupráci na vývoji tohoto zařízení i na jeho budoucím využívání již projevilo zájem Ministerstvo energetiky USA, s kterým jsme podepsali před rokem smlouvu o spolupráci. Na jejím základě již existuje v Národní laboratoři v Princetonu skupina odborníků, která s námi spolupracuje na návrhu některých ze systémů našeho tokamaku.

Lidé podílející se na výzkumu se možná komerčního využití nedožijí

Kdo jsou všichni ti lidé, kteří na takovýchto projektech pracují? Podílí se na tom například i studenti nebo jde pouze o vědce?

Tokamak je velmi složité zařízení, na jehož návrhu, realizaci i provozu se musí podílet poměrně rozsáhlý mezinárodní tým odborníků. Výzkum termonukleární fúze má v České republice a v našem ústavu již padesátiletou tradici. V roce 1975 jsme instalovali náš první tokamak CASTOR dovezený z Kurčatovova ústavu ze Sovětského svazu. Ten s řadou vylepšení fungoval až do roku 2006, kdy započala instalace COMPASSu a CASTOR jsme tehdy věnovali Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT pro výuku studentů. V současné době se výzkumu fúze věnuje v rámci našeho ústavu tým více než sto odborníků s poměrně vysokým procentem zahraničních pracovníků. Na tomto pracovišti se také školí několik desítek studentů, kteří tímto mají možnost se účastnit odborné práce na špičkovém vědeckém zařízení. Tito všichni se také podílejí, spolu s řadou zahraničních kolegů, na návrhu a realizaci našeho nového tokamaku.

Nyní dokončujete ITER, posléze bude probíhat stavba DEMO a následně zavádění do praxe, což tedy ještě pár desítek let potrvá. Je reálné, že se naše generace dožije doby, kdy budou vznikat tokamaky napříč celým světem?

Přestože je fúzní reaktor velmi bezpečný, jedná se pořád o jaderné zařízení, na které se vztahují stejné povolovací procesy jako na standardní jadernou elektrárnu. Proto pouze samotná stavba včetně povolovacího řízení může trvat patnáct až dvacet let. V případě fúzního reaktoru je navíc třeba řadu technologií a procesů ještě částečně dovyvinout, což klade další časové nároky. A v neposlední řadě je třeba stabilní politická a finanční podpora u takto rozsáhlých a dlouhodobých projektů, která tady také ne vždy byla.

Zobrazit fotogalerii (14 fotografií)

Evropská unie má ve své cestovní mapě pro realizaci energie z fúze, na jejíž formulaci jsme se také podíleli, řečeno, že první energie z fúzního reaktoru v síti bude dodána kolem roku 2050. A tomu je přizpůsoben celý evropský fúzní výzkumný program. Postupně do toho samozřejmě zasahuje řada nečekaných problémů, jako nehoda ve Fukušime, covid-19 a další, které mají následně vliv na finanční i politickou podporu. Nicméně i přesto předpokládám, že by mělo být reálné zahájit komerční využívání energie z termonukleární fúze někdy kolem roku 2060.

To se samozřejmě může zdát jako velmi dlouhá doba. Ale je třeba ji srovnat například s diskutovanou výstavbou nových bloků v našich jaderných elektrárnách, které, pokud bychom se pro ně rozhodli dnes, nebudou pravděpodobně spuštěny před rokem 2040. A to se jedná o technologii, kterou již desítky let využíváme.

I když se možná moje generace nedočká masového rozšíření fúzních elektráren je třeba na vývoji tohoto téměř nevyčerpatelného, bezemisního a bezpečného zdroje usilovně pracovat.

Bude elektřina z fúze levnější?

To je otázka, na kterou se v tuto chvíli velmi těžce odpovídá. Existují studie, které se tímto zabývají, nicméně je zde například velká nejistota v ceně jednotlivých materiálů a surovin za třicet či čtyřicet let.

Určitě bude velká snaha, aby fúzní elektrárny byly jak investičně, tak provozně co nejlevnější. Předpokládám, že se bude pohybovat někde na úrovní dnešní jaderné elektrárny. Nicméně rád bych upozornil na to, že v horizontu několika málo desítek let nebude možná tak zásadní problém cena elektřiny, jako její stabilní dostupnost. V posledních třiceti letech se například v České republice minimálně investovalo do velkých stabilních zdrojů elektrické energie a budovaly se pouze obnovitelné zdroje. Ty mohou dobře fungovat jako doplněk velkých zdrojů, ale vzhledem k jejich nepravidelné výrobě energie a zatím nedostatečného pokroku v oblasti skladování energie nebudou pravděpodobně schopny pokrýt významnou část spotřeby společnosti v našich zeměpisných podmínkách.

Budeme nadále potřebovat stabilní výkonné lokální zdroje s výkony v řádu gigawatů pro napájení velkých měst, rozsáhlých průmyslových podniků, hutí, cementáren, hliníkáren atd. A zde bude mít jaderná fúze jako bezemisní zdroj velký prostor, protože jediná cesta k bezemisní energetice je kombinace obnovitelných zdrojů a jaderné energetiky, nyní štěpné a později fúzní.

Přeženu to lehce do sci-fi roviny. Existuje nějaká představa malých tokamaků, které by mělo k dispozici každé město? Chápu, že při současných znalostech to reálné není, ale je tam do budoucna nějaká možnost miniaturizace nebo už dnes víme, že to není reálné?

Za současné úrovně znalostí plazmatu a technologií to možné není. Problém je především v tom, jak kvalitně dokážeme udržet plazma izolované uprostřed vakuové nádoby, přestože jsme v tomto ohledu dosáhli obrovského pokroku. Abychom mohli v současné době dosáhnout velkého energetického zisku, musíme mít plazma, řekněme zjednodušeně, hodně veliké.

Nicméně z teorie fyziky plazmatu víme, že kvalita udržení plazmatu a energie v něm roste s magnetickým polem. Doposud jsme byli omezeni velikostí magnetického pole přibližně třináct Tesla v centru tokamaku, což znamená cca šest Tesla uprostřed plazmatu. Při vyšším magnetickém poli totiž dnešní standardní supravodiče přestávají být supravodivé. V nedávné době ale začal vývoj supravodivých cívek pro tokamaky, které využívají tak zvané teplé supravodiče, materiály vykazující supravodivost již při teplotách kapalného dusíku. Kromě výrazného snížení provozních nákladů na jejich chlazení, jsou tyto nové materiály schopny být supravodivé i při několikanásobně vyšších magnetických polích. A to by již mohla být cesta k menšímu kompaktnímu reaktoru s výkonem v řádu stovek megawatt.

Před několika lety začali pracovat na technologii cívek z teplých supravodičů kolegové z univerzity v MIT v USA. Jejich dlouhodobým cílem je právě konstrukce menšího a tím i levnějšího reaktoru s touto technologií. Cestou tokamaků využívajících vysokých magnetických polí jdeme právě i my s našim novým projektem tokamaku COMPASS-U. To je také jeden z důvodů zájmu USA o spolupráci na našem projektu.

Nový tokamak vznikne v areálu Akademie věd ČR?

Ano, přímo tam kde stojí ten současný. Ten bude odstraněn a projevili o něj zájem kolegové z Portugalska. Naši experimentální halu budeme muset částečně přizpůsobit a přistavit také nové prostory pro energetické zdroje a diagnostické systémy.

A jaké jsou vaše další výhledy a plány?

Tento nový tokamak bude mít vědeckou „životnost“ minimálně dalších dvacet let. Po tu dobu bude schopen poskytovat špičkové výsledky pro přípravu projektu budoucí fúzní elektrárny.

Během tohoto období se také zřejmě začne řešit umístění projektu DEMO, prototypu fúzního reaktoru. A protože jsem přesvědčen, že Evropa již bude chtít tento projekt realizovat sama bez dalších partnerů, protože se rozběhne reálný závod o to, která ze světových velmocí ovládne tuto technologii na komerční bázi nejdříve, mohla by se Česká republika pokusit stát hostitelem tohoto jednoho z nejvýznamnějších vědeckých projektů v historii lidstva. Veřejnost v České republice má pozitivní vztah k jaderné energetice a hostování tohoto významného experimentu by zajisté vedlo k výraznému zviditelnění České republiky a mělo nesporně velmi pozitivní vliv jak na podporu české ekonomiky, tak i dalšího rozvoje našeho průmyslu směrem k pokročilým technologiím.

První část obsáhlého rozhovoru vyšla v sobotu 21. listopadu, druhá v neděli 22. listopadu.