ROZHOVOR | Nejdražší zařízení na Zemi v sobě uzavře malé Slunce. ITER stojí stejně jako olympiáda, říká český fyzik Pánek

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.

Jak funguje fúzní reaktor?

Získat energie z atomového jádra je možné dvěma způsoby. Jeden z nich spočívá ve štěpení jader těžkých atomů. Tato technologie se dnes standardně využívá v tzv. štěpných reaktorech, kde dochází ke štěpení jader pomocí neutronů na dvě lehčí jádra. Přitom dochází k uvolnění velkého množství energie. Samozřejmě to s sebou nese výhody, ale také nevýhody jako například produkci odpadu, který je radioaktivní, a který dlouhou dobu musíte uchovávat. Další nevýhodou je potenciální bezpečnostní riziko díky možnosti neřízené řetězové reakce.

Druhá možnost, jak získat energii z jádra, je sloučením jader lehkých atomů.  Pokud dokážete dvě lehká jádra sloučit, lehká znamená lehčí než železo, tak dojde k uvolnění ještě mnohem většího množství energie. To si můžeme představit například tak, že vezmeme dvě jádra vodíku, která by se za normálních okolností odpuzovala, protože mají kladný náboj. Pokud bychom je ale dokázali přiblížit na velmi malou vzdálenost, tak převáží přitažlivá jaderná síla nad odpudivou elektromagnetickou a dojde k jejich sloučení. Aby toho bylo dosaženo, musíte oběma jádrům udělit navzájem poměrně velkou energii, aby se dokázaly přiblížit na velmi malou vzdálenost. Pro první generaci fúzních elektráren se uvažuje o využití slučování jader izotopů vodíku, které se nazývají deuterium a tritium a mají jeden, respektive dva neutrony v jádru navíc. Tato tzv. D-T reakce je proveditelná v pozemských podmínkách za nejméně náročných podmínek. Pro všechny ostatní typy atomů potřebujete dosáhnout výrazně větších parametrů. Samotná fúzní reakce je ve vesmíru velmi běžná, protože dodává energii všem hvězdám včetně našeho Slunce. Bez této reakce by proto nebyl ani život na Zemi.

Abychom dosáhli sloučení dvou jader, musí proti sobě získat poměrně velkou kinetickou energii, čehož dosáhneme například zahřátím dané látky na velmi vysokou teplotu, čím se její skupenství změní na plazma. To je tak zvané čtvrté skupenství hmoty, které je ale nejrozšířenějším skupenstvím ve vesmíru, protože se z něj skládají hvězdy. Plazma si můžeme představit jako plyn, který se zahřeje na velmi vysokou teplotu, čímž se z obalu atomu odtrhnou elektrony. Plazma se proto skládá z elektronů se záporným nábojem a jader, která mají kladný náboj a jako celek se chová poměrně komplexně. Naším cílem není nic menšího než vytvořit takové malé Slunce v pozemských podmínkách. Rozdíl oproti hvězdě je v tom, že hvězdám pomáhá k udržení velmi horkého plazmatu pohromadě gravitační síla. V pozemských podmínkách musíme najít jiný způsob, jak plazma, které musí mít extrémní teplotu desítek miliónů stupňů Celsia, udržet izolované od všeho ostatního materiálu. Nejpokročilejší koncepty pro tento účel využívají silného magnetického pole speciálních tvarů.

Který koncept má nejblíže k realizaci fúzní elektrárny?

Termonukleární výzkum probíhá už od čtyřicátých let minulého století a za tu dobu bylo vyzkoušeno několik konceptů. Ten nejpokročilejší využívá k udržení plazmatu vysoké magnetické pole. Nabité částice plazma interagují s magnetickým polem a mohou se pohybovat pouze podél magnetické siločáry, nikoliv v kolmém směru. Pokud magnetické siločáry zavineme do sebe tak, že na sebe bude navazovat jejich začátek a konec, nabitá částice již nemůže z této siločáry uniknout a pohybuje se pouze podél ní. V realitě tedy vezmeme vakuovou nádobu ve tvaru pneumatiky, na kterou navineme magnetické cívky a tím vytvoříme správnou tzv. toroidální geometrii magnetického pole, která zajistí, že plazma bude levitovat uprostřed této komory bez kontaktu s okolním materiálem.

Druhý přístup, který se také studuje již řadu dekád, je inerciální neboli laserová fúze. Její princip spočívá v homogenním ozáření kuličky deuteria a tricia laserovými svazky. Za vhodných podmínek dojde k prudkému zahřátí obalu kuličky, který exploduje a způsobí tím implozi vnitřku kuličky.  Pokud je toto stlačení dostatečně intenzivní a stejnoměrné, budou splněny podmínky pro zapálení termonukleární reakce definované tzv. Lawsonovým kritériem a dojde k mikroexplozi a uvolnění velkého množství energie.  Budoucí elektrárna na tomto principu by využívala opakovaných mikroexplozí způsobených laserem, z kterých by čerpala energii. Nicméně tento směr výzkumu je přibližně o generaci za magnetickým udržením, ke kterému nyní řeknu něco podrobněji. Magnetické udržení se ještě dál štěpí na několik rozdílných konceptů, z kterých jsou nejvýznamnější tzv. tokamak a stelarátor. Oba koncepty využívají magnetické pole ve tvaru toroidu, které je ale navíc šroubovicově zakřiveno, aby bylo udržení plazmatu v prostoru stabilní. Od sebe se jednotlivé koncepty liší tím, jak šroubovicového zakřivení magnetických siločar dosahují. Starší z konceptů – stelarátor – byl studován na západě od čtyřicátých let a využívá složitého tvaru magnetických cívek navinutých na toroidální vakuové komoře pro generaci šroubovicového magnetického pole. V bývalém Sovětském svazu přišli ale v padesátých letech s novým a jednodušším řešením, jak dosáhnout stejného efektu, a to vlečením elektrického proudu přímo v plazmatu. Samotné cívky na vakuové komoře mají v tomto případě mnohem jednodušší tvar.  Až do konce šedesátých let byly tyto dva koncepty studovány nezávisle ve Východním a Západním bloku.

Zásadní zlom přišel v roce 1968, kdy vědci v Sovětském svazu oznámili, že se jim v jejich tokamaku podařilo dosáhnout teploty plazmatu jeden tisíc elektronvoltů, což bylo mnohem více než dosahovali na západě ve stelarátorech. Západ měl tehdy pochybnosti o tomto výsledku, nicméně nezávislé přeměření, které provedli vědci z Velké Británie, ukázalo, že teplota dosažená v sovětském tokamaku je dokonce ještě vyšší. Proto začala ihned hromadná přestavba stelarátorů v Západním bloku na tokamaky a sedmdesátá léta znamenala zlatou éru pro jejich rozvoj. V té době bylo rozhodnuto o stavbě dvou velkých tokamaků, z nichž jeden – evropský tokamak JET – stále funguje ve Velké Británii. JET představuje největší tokamak, který byl doposud uveden do provozu. Druhý tokamak se jmenoval TFTR a byl vybudovaný v Princeton Plasma Physics Laboratory v USA. Tyto dva tokamaky již mohly pracovat i s triciem. Tyto dva experimenty provedly v devadesátých letech klíčové pokusy se směsí deuteria a tricia a podařilo se jim vyprodukovat až 16 MW výkonu z termonukleární fúze. Tokamak JET má naplánovány po delší pauze další experimenty s triciem na příští rok, abychom byli co nejlépe připraveni znalostmi na spuštění tokamaku ITER.

Přemýšlelo se od počátku o termonukleární fúzi jako o potenciálním zdroji elektrické energie?

Fyzikální princip neřízené termonukleární fúze byl bohužel prokázán již realizací atomové bomby. Jakmile se ukázalo, jaký obrovský energetický potenciál má tento typ reakce, začalo se přemýšlet, jak jej využít pro mírové účely pro generaci elektrické energie. Jinými slovy začalo se přemýšlet, jak realizovat tzv. řízenou termonukleární fúzi. K tomuto účelu byla od poloviny minulého století studována řada konceptů pro udržení horkého plazmatu založených na různých principech, z nichž jsem některé již zmínil. Postupně z nich vykrystalizoval princip tokamaku jako ten nejúspěšnější a na jeho principu bude s velkou pravděpodobností realizován první komerční fúzní reaktor.

To znamená, že desítky let trval vývoj. Kdy se to dostalo do fáze, že si vědecká odborná obec řekla, že udělá druhý nejdražší projekt na světě? Postaví se experiment ITER, který by měl na tomto principu fungovat.

Po spuštění velkých tokamaků JET a TFTR a prvních úspěšných výsledcích přišel M. Gorbačov a F. Mitterand s nápadem realizace velkého mezinárodního tokamaku s vysokým výtěžkem energie z termonukleární fúze. Tím začala příprava projektu ITER, která byla dokončena koncem 90. let. Odhadovaná cena realizace byla kolem šesti miliard dolarů. Bohužel v té době díky nízké ceně ropy a obecně energií výrazně poklesl politický zájem o vývoj nového zdroje energie. Proto bylo rozhodnuto, že je třeba cenu projektu snížit na polovinu, a to i za cenu snížení jeho cílů. Američané se dokonce rozhodli projekt opustit, aby se o několik roků později k projektu opět připojili. Jedním z hlavních cílů současného projektu ITER je vyprodukovat desetkrát více energie, než do něj vložíme. Aby to splnil, bude muset vyprodukovat přibližně 500 MW energie z fúze. Jakmile byl v roce 2002 projekt připraven, trvalo další čtyři roky jednání na nejvyšší politické úrovni o tom, kde bude ITER stát.

Potenciální umístění nabídlo několik z partnerů projektu, protože se jednalo o velmi prestižní záležitost, a navíc také velký impuls pro lokální ekonomiku. Po řadě jednání byla vybrána Evropa a konkrétně oblast v jižní Francii, která se nazývá Cadarache. Tam se začal ITER v roce 2006 stavět. Po počátečních manažerských problémech, ale i díky katastrofě ve Fukušimě a následných restrikcích v japonském průmyslu, projekt nabral zpoždění. Nicméně od roku 2015, kdy se stal generálním ředitelem profesor Bernard Bigot, projekt pokračuje i přes řadu problémů spojených se stavbou takového unikátního projektu, dobře a dle plánu. Spuštění ITERu je naplánováno na konec roku 2025, což dnes vypadá reálně. Samozřejmě nevíme, jaké přesné důsledky bude mít epidemie koronaviru, která přináší řadu omezení jak pro pracovníky, kteří montují jednotlivé díly na místě, tak i pro pracovníky v jednotlivých továrnách po celém světě, kde se jednotlivé díly vyrábějí.

Mluvil jste o šesti miliardách, ale nyní je to na osmnácti miliardách. Není to ISS za sto miliard, ale i přesto je to velký projekt, který je stále v rámci experimentu. Tudíž je tam předpoklad, že by to mohlo fungovat, ale stále je to pokus. Jakým způsobem se povede přesvědčit politické špičky, aby takovýmto množstvím peněz zafinancovali vědecký projekt v období míru, který je experimentem?

Předně je zřejmé, že energetické nároky lidstva nadále porostou, a to jak díky zvyšování životní úrovně v dnešních rozvojových zemích, tak i případnému přechodu na elektromobilitu ve vyspělých zemích. Tuto energetickou potřebu bude třeba pokrýt, a k tomu nejlépe potřebujete stabilní velké zdroje energie, které budou navíc bezemisní, tedy bez negativního vlivu na životní prostředí. Samotné tzv. obnovitelné zdroje, které dodávají energii pouze za vhodných podmínek, pokud svítí slunce, fouká vítr atd., nejsou schopné toto ve většině lokalit zajistit, dokud nedojde k zásadnímu průlomu v oblasti ukládání energie. Proto právě jaderná fúze nabízí obrovskou perspektivu, protože na jejím principu budeme schopni postavit velmi výkonné a stabilní zdroje energie. Reaktory o výkonu jednotek GW s téměř nevyčerpatelnými zdroji paliva. To bude víceméně volně dostupné po celém světě na rozdíl od ropy, plynu, uhlí, uranu, protože deuterium lze celkem jednoduše získat z vody a tritium bude vyráběno přímo v reaktoru z lithia.

Díky extrémní účinnosti této reakce bude stačit deuterium z lahve vody a lithium z baterie notebooku k pokrytí energetické spotřeby jednoho člověka po celý jeho život. Další zásadní výhoda tohoto typu reakce je to, že nebude produkovat radioaktivní odpad, pouze helium. Tento typ elektrárny bude navíc tzv. inherentně bezpečný, to jest nehrozí zde riziko řetězové reakce. Reaktor půjde kdykoliv velmi rychle vypnout. Klíčový krok v tomto vývoji, kterým je ITER, má otestovat společnou funkci všech klíčových technologií, bude stát přibližně osmnáct miliard euro. Je to samozřejmě vysoká suma, ale to je mimo jiné také proto, že na rozdíl od většiny jiných vědeckých oborů, v tomto případě celý rozvinutý svět staví jedno společné zařízení. Navíc je třeba připomenout, že cena tohoto projektu je srovnatelná například s náklady na organizaci olympijských her anebo s cenou letadlové lodi. Vedle toho postavte projekt ITER, který má potenciál vyřešit energetické problémy lidstva na další tisíce let…

Navíc fúzní výzkum včetně projektu ITER funguje díky své velké komplexnosti podobně jako kosmický výzkum. Tím chci říct, že fúzní výzkum táhne, motivuje a financuje také výzkum řadě dalších oblastí, které s fúzí zdánlivě nesouvisí. Například v oblasti nových typů supravodičů, kryogeniky, robotiky, pokročilých materiálů atd.

Jakým způsobem je nastaveno financování projektu ITER?

V realitě je financování projektu ITER zajištěné primárně pomocí tzv. in-kind příspěvků a pouze velmi malou část rozpočtu poskytují partneři projektu ITER přímo Organizaci ITER. Již v počátku projektu se partneři projektu, kterých je sedm (EU, USA, Rusko, Čína, Indie, Japonsko, Korea pozn. redakce) dohodli, kdo zajistí vývoj a dodávku kterých komponent. Některé velké komponenty byly dokonce rozděleny mezi více ITER partnerů. Například segmenty vakuové komory dodává Evropa a Korea, jednotlivé supravodivé cívky dodává Evropa, Čína, USA a další atd.

Tento systém na jednu straně poměrně komplikuje management takto složitého projektu, na druhou stranu si tím jednotliví partneři projektu zajistili, že jejich průmysl si dokáže vyvinout potřebné know-how, které bude v budoucnu potřebovat v dalším kroku, který se pracovně nazývá DEMO. To bude již představovat prototyp fúzní elektrárny a s velkou pravděpodobností si jej již bude realizovat každý z partnerů sám. Začne totiž pak závod o to, kdo první tuto technologie zvládne uvést do komerčního využití. V rámci Evropy již nyní pracujeme na konceptu DEMO, Čína si již také připravuje své vlastní a stejně tak i Korea.

Druhá část obsáhlého rozhovoru vyjde v neděli 22. listopadu, třetí v úterý 24. listopadu.