Lesk a bída termojaderné syntézy

Na konci června se v Praze sejde největší evropská konference zaměřená na fyziku plazmatu a na termojadernou syntézu ¹⁾ . Termojaderná syntéza bezpochyby zasluhuje mimořádnou pozornost, nejen proto, že je energetickým zdrojem Slunce i ostatních hvězd. Může se stát vydatným, dlouhodobě zajištěným a nezvykle čistým zdrojem energie pro naši civilizaci. Přesto pražskou konferenci nebudou provázet žádné okázalé akce, a nelze ani očekávat, že by o ni projevila zájem veřejnost či politici. Nadšení pro věc se pozvolna vytrácí i v řadách odborníků. Proč tomu tak je a proč přesto považujeme projekt termojaderného reaktoru za velikou vědeckou a technickou výzvu?

Průmyslové využití termojaderné syntézy by představovalo zvládnutí nového mocného a téměř nevyčerpatelného zdroje energie. Je ale takový zdroj vůbec nějak zajímavý z hlediska dnešní energetiky? Po pravdě řečeno, ne příliš. Termojaderný reaktor jakéhokoli typu, pokud se nebude výrazně lišit od našich současných představ, bude mohutným centralizovaným zdrojem energie, který bude mít poměrně nízké provozní náklady (palivo téměř zdarma), nicméně velmi vysoké náklady investiční. Z tohoto důvodu i z hlediska řízení provozu bude vhodný zejména pro trvalý provoz v tzv. základním režimu, k neustálé dodávce energie při plném výkonu. Nebude se hodit k pokrývání krátkých špičkových odběrů, které dnes trápí energetiky nejvíce. Bude velmi náročný na technologickou kázeň a vysokou odbornost personálu, což je sice z hlediska celospolečenského příznivé, ale investora ani zodpovědného provozovatele takové komplikace rozhodně netěší.

Ne náhodou tyto rysy nápadně připomínají dnešní jadernou energetiku, vždyť také jde o jaderný reaktor, byť založený na zcela jiném principu. A to je další svízel – pouhé vyslovení přívlastku jaderný dnes kdekoho vyděsí. Velké množství poněkud dezorientovaných „zelených“ se dokonce postavilo i proti samotnému výzkumu řízené termojaderné syntézy.

Energetické společnosti ve vyspělých zemích světa proto výhledově dávají přednost malým a pružným zdrojům na fosilní paliva, které jsou investičně i personálně méně náročné, lépe reagují na velké výkyvy v poptávce po elektrické energii a ze společenského hlediska jsou přijatelnější, méně nápadné. Obyvatelé vyspělých zemí jsou přitom schopni cenu dobývání a přepravy velkého množství kvalitního paliva zaplatit.

Rozvojové země naopak o výzkum řízené termojaderné syntézy zřetelně usilují, ale nemají dostatečné prostředky ani na nákladné přístrojové vybavení, ani na výchovu a udržení kvalifikovaného personálu. Energetika příštího století bude podle všeho nadále postavena na rychle rostoucí spotřebě uhlí (zejména v Asii) v naději, že to globální ekosystém ještě vydrží. Podíl jaderných zdrojů na krytí celkové spotřeby je ve hvězdách, ale žádný velký zvrat se nečeká – s termojadernou syntézou se příliš nepočítá. Vyhlídky alternativních zdrojů jsou trochu lepší, ale na zásobování přibývajících průmyslových středisek stačit nebudou. Alespoň takové jsou závěry Světové energetické rady, která se sešla r. 1995 v Tokiu a která vycházela z několika alternativních scénářů poklidného rozvoje civilizace.

ITER – Internacionální termojaderný experimentální reaktor

Fyzikové spolu s techniky svůj nerovný boj zatím nevzdávají a připravují všechny podklady nutné pro stavbu prvního termojaderného reaktoru. Nejdále je mezinárodní projekt ITER, na kterém se účastní Evropská unie, Japonsko, Rusko a Spojené státy americké. Naše vzdálená napodobenina Slunce má být v tomto reaktoru spoutána silným magnetickým polem – nic jiného se na ovládání stamilionových teplot nehodí. Udržování extrémně horkého plynu (jedné z mnoha podob fyzikálního plazmatu, tj. ionizovaného plynu) v magnetickém poli představuje velmi komplikovaný problém, se kterým má fyzikální věda bohaté zkušenosti. ITER na dnešní experimenty plynule navazuje, měl by již být prvním zařízením, ve kterém bude vysokoteplotní plazma energeticky soběstačné.

Projekt ITER předpokládá stavbu reaktoru přes dvacet metrů vysokého, s třicetimetrovým průměrem. Srdcem reaktoru bude tokamak. Jeho toroidální (prstencová) komora má mít poloměr přes 8 metrů a výšku přibližně 9 metrů. Z celého objemu této obří „pneumatiky“ musí být co nejdokonaleji vyčerpán vzduch. Obepínat ji bude dvacet gigantických supravodivých cívek, které vytvoří magnetické pole téměř 5,7 tesla. V těsném sousedství stamilionové teploty, při které má v komoře hořet termojaderná syntéza, musí být zajištěno chlazení velkých supravodičů na extrémně nízké teploty. K dosažení stabilizujícího stočení magnetických siločar musí být v plazmatu indukován elektrický proud 21 milionů ampérů. V centru plazmatu bude zhruba milionkrát nižší hustota částic než ve vzduchu, takže tlak plazmatu by vzhledem k milionkrát vyšší teplotě zhruba odpovídal atmosférickému tlaku. Předpokládá se, že ITER bude uvolňovat asi 1500 MW jaderného výkonu (jen o málo více než má každý ze čtyř reaktorů Jaderné elektrárny Dukovany) při zhruba čtvrthodinových pulzech.

Uvedené parametry ITER jsou dány kombinací požadovaných fyzikálních parametrů a našimi technickými schopnostmi. Technologicky snesou jednotlivé části ITER srovnání s již existujícími špičkovými vědeckými i průmyslovými pracovišti. Složitější bude udržet celý kolos v provozuschopném stavu – už dnes mají mnohé velké tokamaky chronické technické potíže. A už vůbec není jisté, zda zúčastněné velmoci uvolní potřebné finanční prostředky. Peněz určených pro termojaderný výzkum totiž zřetelně ubývá. Zejména ve Spojených státech amerických a v Rusku, které se dříve i v této oblasti výzkumu vzájemně předbíhaly, zavládla doslova deprese. Celkové náklady na stavbu ITER se v dnešních cenách odhadují na 6–10 miliard dolarů.

Potřebujeme termojaderný reaktor již teď?

Bezpochyby ano, alespoň podle názoru těch, kteří se jaderné syntéze nejvíce věnují. Nejčastější argument pro stavbu reaktoru zní zhruba takto: Zásoby fosilních paliv se nakonec vyčerpají. Ještě podstatně dříve se může stát, že se nade vši pochybnost prokáže neúnosný vliv exhalací na globální klima. Dříve nebo později budeme tedy nový energetický zdroj potřebovat. Pokud nedojde k zásadní, kvalitativní změně v našich schopnostech získávání a uchovávání energie z obnovitelných zdrojů, zůstává jediným dlouhodobě zajistitelným zdrojem dostatečného množství energie právě energie jaderná. Jaderná syntéza přitom má oproti jadernému štěpení řadu principiálních výhod. Musíme ji proto zvládnout co nejdříve.

Tento argument bohužel ztrácí hodně na své síle úměrně tomu, jak dlouho je opakován. Odpověď těch, kteří rozhodují o rozdělení rozpočtových prostředků, proto zní: stačí, když se znalosti o jaderné syntéze uchovají pro případ energetické krize, soustředit se dnes musíme na naléhavější problémy. Nemá smysl stavět prototyp reaktoru, který si energetické společnosti stejně objednávat nebudou.

Je s podivem, jak často se v těchto diskusích ztrácí naprosto zásadní argument pro co nejrychlejší výstavbu ITER: první reaktor, který ovládne jadernou syntézu, bude obrovským zdrojem poznání. Díky extrémním podmínkám v energeticky soběstačném plazmatu získáme nejen hluboké znalosti o chování hmoty při velmi vysokých teplotách, ale také řadu nových, jinak nedosažitelných prostředků pro základní i aplikovaný výzkum. ITER by umožnil mimo jiné měření účinných průřezů (tj. pravděpodobností chemických a jaderných reakcí), testování nových měřicích metod a řadu materiálových zkoušek. Bylo by též možné prověřit, do jaké míry se budou termojaderné reaktory hodit k transmutaci radioaktivních odpadů z reaktorů štěpných či k likvidaci vysoce toxických odpadů. Proto by i jediný termojaderný reaktor znamenal neocenitelný přínos pro fyziku a techniku již dnes.

Zatím jsme jen neméně zábavnými následníky těch, kteří filozofovali o perspektivách a stinných stránkách letectví, aniž se pokusili postavit jediné letadlo. V dnešních menších experimentech se snažíme vytvářet příslušné extrémní podmínky tak, že energii do plazmatu složitě (a ne vždy úspěšně) dodáváme zvenku. Modely extrapolující dnešní experimentální data na parametry reaktoru ovšem nemohou poskytnout dokonalou představu o chování reaktoru, protože tyto modely řídí nelineární rovnice. Při provozu prvního termojaderného reaktoru se proto budou nejspíš střídat okamžiky zklamání s chvílemi nečekaných nadějí. Není vyloučeno, že bude objevena cesta pro stavbu menších reaktorů.

Jak bude vypadat zapalování termojaderné syntézy?

Jednoduše řečeno – stejně jako při létání, je třeba i při řízení vysokoteplotního plazmatu zvládnout udržování rovnováhy a stability. A dokud chybí konstruktérům dokonalá znalost prostředí a pilotům zkušenost, nelze očekávat zázraky.

Před zapálením jaderné reakce musíme palivu (plynnému deuteriu a tritiu) dodat obrovské množství tepelné energie a zároveň je třeba extrémně horké palivo (fyzikální plazma) co nejlépe izolovat od okolí, aby se o něj neochlazovalo a neznečisťovalo. V této fázi funguje reaktor úplně stejně jako dosavadní tokamaky. Energie dodávaná do plazmatu zvenku musí být vyšší než ztráty způsobené vyzařováním a difuzí. Při velmi vysokých teplotách začne nabývat na síle nový, vnitřní energetický zdroj plazmatu – jaderné slučování. Samo horké plazma zachytí přibližně jednu pětinu energie uvolňované jaderným slučováním, takže se postupně energeticky osamostatňuje. ITER je projektován tak, aby díky svým rozměrům mohl ve vnitřní oblasti plazmatu překročit kritické hodnoty teploty, hustoty i udržení energie natolik, že jaderná energie absorbovaná plazmatem zcela pokryje ztráty způsobené difuzí a vyzařováním. Tím začne úplně nové dobrodružství – zapálení termojaderného plamene.

Náhlou změnu fyzikálních poměrů, provázenou zásadní změnou chování reaktoru, dobře ilustruje tzv. tepelná nestabilita. Stačí jednoduchá úvaha: Před zapálením dodáváme energii zvnějšku, jinak teplota klesá a jaderné reakce rychle vyhasínají. Při zapalování musí tedy s rostoucí teplotou růst energie uvolňovaná jadernými reakcemi rychleji než ztráty, jinak by nikdy nedošlo k jejich vyrovnání. To ovšem znamená, že při nepatrném překročení kritických parametrů budou reakce produkovat více energie, než kolik je odváděno ztrátami, a tepelná energie plazmatu začne samovolně narůstat.

Teplota plazmatu by narůstala jen do určité výše, protože účinný průřez (pravděpodobnost reakce) pro jadernou syntézu počne při příliš vysokých teplotách klesat, zatímco ztráty stále rostou. Na první pohled by se nakonec mohla ustavit „přirozená“ energetická rovnováha, která panuje ve hvězdách a kterou dobře známe z chemické analogie jaderné syntézy – z ohně. Teplota chemického hoření je také zpravidla vyšší než teplota, při které se hořlavina vznítí. Bohužel se ukazuje, že naše dnešní technologie zdaleka nestačí na vybudování reaktoru, který by ovládl plazma s jadernou syntézou hořící při „přirozené“ energetické rovnováze. Znamená to, že v ITER bude třeba uměle, pomocí vhodných zpětných vazeb, udržovat hustotu a teplotu plazmatu v okolí kritických hodnot pro zapálení. Jinak tento reaktor nedokáže udržet křehkou rovnováhu mezi plazmatem a magnetickým polem a plazma zanikne srážkou se stěnami reaktoru.

Nepodaří-li se udržovat během hoření termojaderné syntézy dostatečně nízkou hladinu příměsí (tj. jiných prvků než paliva), budou narůstat energetické ztráty a rychle dojde k vyhasnutí plazmatu. Odstraňování příměsí představuje složitý problém, neboť příměsi se vyskytují v celém objemu plazmatu, zatímco speciální „magnetická výlevka“ (tzv. divertor, viz též obr. obrázek) může pracovat pouze na okraji plazmatu. Během hoření je tedy potřeba udržovat takové podmínky, při kterých bude (zhruba řečeno) rychlost difuze příměsí ven z plazmatu vyšší než rychlost difuze tepla. Bohužel, nejlepší parametry plazmatu se dnes dosahují za podmínek, při kterých tento požadavek není dost dobře splněn. Navíc zatím není uspokojivě dořešena otázka chlazení divertoru, na který budou v reaktoru směřovány obrovské tepelné toky.

V poslední době se též živě diskutovalo o problému turbulencí v plazmatu. Podle výsledků jedné teoretické skupiny vzniknou v ITER po zapálení jaderné syntézy silné turbulence, které také povedou k rychlému vyhasnutí reakce. Jiná, neméně vážená teoretická skupina, která pracuje s počítačovým algoritmem založeným na poněkud odlišné metodě, oponuje svými optimistickými výsledky. To jenom dokazuje, že turbulence neumíme adekvátně modelovat. Neumíme to bohužel ani v jednodušších prostředích, než je plazma. Turbulence jsou totiž jevem navýsost nelineárním, takže velmi závisejí na počátečních a okrajových podmínkách. Je třeba experimentovat tím spíše, že modely se neshodují. Snad právě ITER by mohl poodhalit něco z tajemství turbulencí.

Konečně musíme zmínit i disrupce, tedy náhlé zániky plazmatu. Zřejmě k nim dochází po samovolném novém pospojování magnetických siločar, které pak plazma neudrží a „hodí“ ho na stěny vakuové komory. V naší analogii s letectvím odpovídají disrupce pádu letadla. Dnes se již bezpečně ví, při jakých parametrech plazmatu k disrupci určitě dojde (tj. jaké letadlo se ve vzduchu určitě neudrží), občas se ale vyskytnou i nepředpokládané disrupce v oblasti stabilních parametrů. Naštěstí se zdá, že se jim lze vyhnout úplně. Disrupce by totiž představovaly nejen nežádoucí přerušení výroby energie, ale i obrovské tepelné, mechanické a elektrické namáhání pro celý reaktor.

Na druhou stranu nesmíme zapomínat, že disrupce představují jedinečný, přirozený bezpečnostní prvek – jakmile se plazma vymkne kontrole, je jeho osud zpečetěn disrupcí. Tak by skončila i výše uvedená tepelná nestabilita, kdyby zklamaly všechny zpětnovazební i bezpečnostní mechanizmy.

Ještě nehoří, ale už žhne!

Téměř všechny experimenty, které dnes v oboru termojaderné syntézy probíhají, pracují buď s vodíkovým plazmatem (tedy s plazmatem tvořeným jen protony a elektrony), nebo s deuteriovým plazmatem. Deuterium je izotop vodíku, ve kterém je k protonu vázán jeden neutron. Pokud má ovšem v ITER dojít k zapálení řízené termojaderné syntézy, musí se jako palivo vedle deuteria použít i poměrně drahé a radioaktivní tritium, umělý izotop vodíku s jádrem tvořeným protonem a dvěma neutrony.

Jen dva velké tokamaky si již troufly použít směs deuteria a tritia, a skutečně v nich došlo k řízenému uvolňování termojaderné energie ve snadno měřitelném rozsahu. Tyto náročné experimenty byly zahájeny nejen proto, aby se podařilo upoutat zájem veřejnosti a politiků, ale také kvůli potřebě zkoumat chování helia, které vzniká jadernou syntézou ve vnitřní oblasti plazmatu a nese velmi vysokou kinetickou energii. Pro stabilní chod reaktoru je totiž velmi důležité zvládnout vyvedení helia (jakožto příměsi) z plazmatu poté, co mu předá svoji energii.

První tokamak, u kterého bylo ve vysokoteplotním plazmatu použito i tritium – v roce 1991 – byl JET (Joint European Torus), největší z dosud postavených tokamaků. Ten je společným projektem Evropského společenství a pracuje od roku 1983 v Culhamu u Oxfordu ve Velké Británii. Při prvním experimentu s použitím tritia bylo dosaženo termojaderného výkonu 1,7 MW. V loňském roce bylo již dosaženo výkonu 16 MW a také se podařilo udržet výkon 4 MW po dobu pěti sekund.

Druhý a zatím i poslední tokamak, na kterém byly provedeny experimenty s tritiem, byl americký TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor). Ten pracoval od roku 1982 v Princetonu. V roce 1993 na něm bylo dosaženo termojaderného výkonu 9 MW. Tokamak TFTR definitivně ukončil provoz loni v dubnu.

V obou případech šlo samozřejmě o uvolňování jaderné energie, které se vůbec nemohlo obejít bez zahřívání plazmatu zvnějšku. Jakkoli jsou rozměry uvedených tokamaků pozoruhodné, nepostačují k tomu, aby výkon uvolňovaný slučováním jader vyrovnal příkon plazmatu. Připomeňme, že v ITER musí výkon jaderného slučování nahradit příkon plazmatu hned pětkrát.

ITER bude jen jedním z mnoha témat nadcházející mezinárodní konference, která se bude konat hlavně díky nadšení našich vědců, mimo jiné i těch, kteří v Praze provozují – pro změnu nejmenší – tokamak s poetickým jménem Castor. Ten by se snadno mohl stát naší chloubou. Malé tokamaky jsou díky svému pružnému a levnému provozu vhodné na testování přístrojů, na výzkum okraje plazmatu pro tokamaky velké i na výzkum turbulencí. Malý tokamak je také ideální pro studenty, kteří při praktické práci mnohem lépe pochopí, jak tokamak funguje a jak se chová hmota při extrémně vysokých teplotách. Pokud by jednou náš průmysl chtěl dodávat komponenty pro první termonukleární reaktory, bez takových znalostí se neobejde. Můžeme se však chlubit s něčím, čemu se od vlasti nedostává rozumné péče?