Cesta jménem ITER

Od loňského června jsou téměř všichni, kdo pracují na poli termonukleární fúze, o poznání optimističtější – a přibyla jim spousta práce. Po dvouletých tahanicích a značných finančních ústupcích je totiž rozhodnuto o místu stavby obřího fúzního experimentu ITER, na kterém se mají podílet EU, Japonsko, Rusko, USA, Čína a Jižní Korea. Lokalita nakonec přísluší tomu, kdo byl v uplynulých dvaceti letech největším tahounem výzkumu, totiž Evropské unii. Stavět se bude v jihofrancouzském výzkumném středisku Cadarache (nedaleko Aix-en-Provence). Na sklonku roku 2005 nominovalo Japonsko prvního ředitele diplomata Kaname Ikedu, Evropa položila základ ke správnímu středisku v Barceloně a do projektu ITER vstoupila i Indie, takže se na jeho financování bude podílet více než polovina lidstva; 24. května 2006 byla v Bruselu podepsána všemi sedmi partnery iniciační smlouva o výstavbě.

Slovo ITER se z latiny překládá jako „cesta“, což mnohé autory inspiruje k analýze cílů tohoto projektu. Takový přístup má ovšem svá úskalí, protože ITER bude jako velká vědecko-technologická investice především cestou za poznáním, takže povede do míst, která zatím ani nemůžeme moc dobře znát. Zkusím to raději jinak – tak, aby pozornému čtenáři význam projektu ITER vyplynul z ohlédnutí za tím, proč a jakými cestami k němu lidé dospěli.

Nejsme přeborníky na věštbu

Jak lvové bijem o mříže,

jak lvové v kleci jatí,

my bychom vzhůru k nebesům

a jsme zde Zemí spjatí.

Nedozírné možnosti fúze jako zdroje energie si poprvé uvědomil vynikající britský astronom Arthur S. Eddington již r. 1920, tedy dlouho před objevem samotných jaderných fúzních reakcí. Experimenty Francise W. Astona tenkrát nade vši pochybnost odhalily rozdíl mezi hmotností čtyř atomů vodíku a jednoho atomu helia – helium bylo lehčí, jako by se při skládání atomových hmot něco ztrácelo. Eddinton si vzpomněl na Einsteinovu ekvivalenci hmoty a energie E = mc² (tuto relaci z r. 1905 tenkrát ještě mnoho fyziků neznalo a často ani nechtělo znát), a tím jako první vyřešil jednu z největších záhad fyziky 19. století, totiž kde se vlastně bere v Slunci a v jiných hvězdách tolik energie. V Eddingtonově slavné přednášce ¹⁾ čteme: „Kdyby jen 5 % hmoty hvězd tvořil vodík a ten by se postupně skládal v složitější prvky, celkové uvolněné teplo by bohatě stačilo našim potřebám a nemuseli bychom dále hledat zdroj energie hvězd. […] Pokud je skutečně ve hvězdách subatomární energie volně užívána pro udržování těch obrovských výhní, pak nás to, jak se zdá, posunuje o kousek blíže k naplnění velkého snu o ovládnutí této latentní síly ve prospěch lidstva – nebo k jeho sebevraždě.“

Tato vizionářská slova byla nejprve zpochybňována. Sám objevitel atomového jádra Ernest Rutherford prohlásil r. 1933, že „každý, kdo od jaderných reakcí očekává energetický zdroj, je jen snílek“. Učinil tak pouhý rok předtím, než došlo právě v jeho laboratoři k objevu fúze jader těžkého vodíku (deuteria). Netrvalo dlouho a díky obrovskému, válkou hnanému vypětí ducha a prostředků se podařilo zvládnout štěpnou a následně i fúzní explozi v podobě uranové a vodíkové bomby. Na pokraji sebevraždy bylo náhle zřejmé, že by se fúze skutečně mohla využít i k prospěchu lidstva. První fyzikální výpočty a první měření dokonce naznačovaly, že by nemuselo jít o příliš složitou úlohu.

První fúzní experimenty z padesátých let si lze zjednodušeně představit jako velmi intenzivní elektrické výboje v plynném deuteriu. Věřilo se, že při takovém výboji mohou jádra deuteria dosáhnout potřebné vysoké teploty k fúzním reakcím dříve, než se výboj rozpadne. První výpočty dosažitelných teplot, založené na klasické difuzi tepla prostřednictvím srážek mezi částicemi ve výboji, takový optimizmus dovolovaly. Při experimentech byly záhy pozorovány i neutrony, což poměrně často vedlo k ukvapenému závěru, že jde o neutrony z fúzních reakcí. Zvládnutí fúze se zdálo na dosah. Fúze se objevila na titulních stranách tisku jako další kandidát na zdroj energie „příliš levné na to, aby se měřila její spotřeba“.

Procitnutí do reality

Nám zdá se, z hvězd že vane hlas:

„Nuž pojďte, páni, blíže,

jen trochu blíže, hrdobci,

jimž hrouda nohy víže!“

V šedesátých letech se v relativní tichosti a pesimizmu pracovalo na velmi široké paletě možných zařízení k zvládnutí fúze ²⁾ a také na zdokonalování metod měření. Nakonec přišla dobrá zpráva: Uznávaný tým z moskevského střediska prohlásil, že dosáhl teplot kolem deseti milionů stupňů, jen o jediný řád méně, než kolik potřebuje fúze. Jejich měření teploty byla ovšem nepřesná a sporná, proto bylo navzdory politickým obtížím domluveno zapůjčení jedinečné britské aparatury, založené na rozptylu laserového světla plazmatem (plazma je ionizovaný plyn, viz rámeček 1 ). Mnohatunové zařízení, doprovázené několika britskými experty, záhy sovětské výsledky potvrdilo. Do mezinárodního povědomí se tak dostala ruská zkratka „tokamak“, označující zařízení, které po více než deseti letech vývoje v zemi svého původu dosáhlo tohoto ve své době jedinečného výsledku.

Evropské, americké a japonské laboratoře začaly stavět tokamaky – a všechny celkem dobře fungovaly. Opět nastalo poměrně nadějné období, zdálo se, že v podstatě bude stačit plazma ohřát na desetkrát vyšší teplotu. Tokamaky navíc patřily mezi fúzní experimenty, které nabídly místo milisekundových výbojů perspektivu několikasekundového, a možná i kontinuálního uvolňování fúzní energie. K tomu bylo nutné zvětšit objem plazmatu tak, aby plazma lépe udrželo vloženou tepelnou energii a také aby objem magnetického pole udržel i rychlá jádra helia, která při fúzi vznikají. Právě tyto částice měly ve srážkách dodávat do plazmatu tepelnou energii potřebnou k pokrytí jeho tepelných ztrát čili udržovat extrémně vysokou teplotu. Kdy? Možná za dvacet let?

Sedmdesátá léta byla zároveň obdobím ropné krize, kdy si rozvinuté země poprvé citelně uvědomily, že zásobování energií není samo sebou a že je třeba myslet i na zadní vrátka. Rychle byly hotovy projekty tří velkých tokamaků: TFTR v USA, JT-60 v Japonsku a rozměrem nejodvážnější zařízení JET Evropského společenství3, jejichž výstavba na sebe nenechala dlouho čekat. Velké tokamaky nefungovaly špatně, ale bohužel se objevila další temná zákoutí fyziky plazmatu. Především se zjistilo, že čím více se plazma ohřívá, tím rychleji rostou jeho ztráty. „Je to, jako by se v zimě otevírala okna domu tím více, čím více se topí. I tak lze nakonec dům vyhřát, ale stojí to mnohem a mnohem více energie.“ ⁴⁾

Po této zkušenosti fyzikové začali ztrácet důvěru v teoretické předpovědi a zaměřili se spíše na shromažďování a srovnávání empirických dat, kterých zvolna přibývalo. Chování plazmatu se od té doby předpovídá na základě podobnostních studií. Podle principu podobnosti, který je dobře znám například z aerodynamiky, lze předvídat fyzikální chování velkých (a tedy nákladných) systémů z výsledků měření na tvarově a principiálně podobných, ale menších experimentech.

Ne všechna překvapení byla špatná

My přijdem! Duch náš roste v výš

a tepny touhou bijí,

zimniční touhou po světech

div srdce nerozbijí!

Mezitím se v roce 1985 v Ženevě poprvé setkali Ronald Reagan a Michail Gorbačov. Je toho málo, v čem si mohli napoprvé vyjít vstříc, a fúze byla vybrána jako posel dobrých zpráv. ⁵⁾ Opět to vypadalo, že bude fúze zvládnuta za dvacet let. A možná opravdu mohla být. Kdyby se od roku 1985 na projektu ITER intezivně a bez přestání pracovalo, mohlo toto zařízení dnes už skutečně dávat první výsledky.

V letech devadesátých bylo poprvé v experimentech na JET a později i na TFTR použito palivo fúzních reaktorů, směs deuteria a tritia (těžkého a supertěžkého vodíku). Pozorovány byly první makroskopické projevy fúzních reakcí. Při rekordním fúzním výkonu 16 MW, který byl dosažen v roce 1997 na tokamaku JET, byl prokazatelně pozorován i fúzní ohřev plazmatu. O rok později byl konečně publikován detailní projekt tokamaku ITER. Na základě podobnostních studií bylo stanoveno, že ITER musí být v lineárních rozměrech téměř třikrát větší než JET, aby dosáhl zapálení fúze s dostatečnou rezervou. Přitom jeho cívky musí být supravodivé, aby dokázaly v potřebném objemu a na požadovanou dobu vytvořit dostatečně vysoká magnetická pole. V tom roce ale už Sovětský svaz neexistoval, ropná krize byla dávno zažehnána a Spojené státy se k tak náročnému projektu obrátily zády. Evropská unie, Japonsko a Ruská federace se shodly, že je nutné přepracovat ITER na levnější verzi.

Zesilovač výkonu

Výstavba samotného tokamaku ITER má stát kolem pěti miliard eur a jeho provoz nejméně také tolik. Ač jde z hlediska jedince o nepředstavitelné prostředky, je to stále jen zlomek úsilí, které dokázali lidé vynaložit na vývoj atomových zbraní. Jinými slovy nelze tvrdit, že by kvůli projektu ITER musely strádat ostatní vědecké či energetické programy. Příběh fúze spíše podává další svědectví o tom, že k velkým cílům nevedou jen cesty plné násilí.

Závěrem bych rád poděkoval Janu Nerudovi a jeho Písním kosmickým za značnou dávku inspirace. Nechci končit příliš pateticky, a proto věřím, že poslední sloku jeho nadčasové básně laskavý čtenář buď zná, anebo si ji dokáže najít.