Pomalu, ale jistě se vrací jaderná energie na výsluní společenského zájmu, který je charakterizován důrazem na snižování uhlíkové stopy. Rok 2021 se postaral o výrazný technologický pokrok a mnozí odborníci se v této souvislosti domnívají, že nastal čas na jaderné inovace. Někteří sázejí na jadernou fúzi, jiní na plovoucí elektrárny či malé modulární reaktory. Těmto tématům se budeme věnovat v třídílném seriálu.
Nedávná konference OSN o životním prostředí COP26 se stala pro jaderný sektor mezníkem. Velmi viditelnou roli sehrála Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE, anglicky International Atomic Energy Agency — IAEA) pod vedením generálního ředitele Rafaela Mariana Grossiho, který využil pozici MAAE v systému OSN k důslednému prosazování teze: „Jaderná energie je součástí řešení.“
Na konferenci zazněla významná prohlášení o jaderné energii z Číny, která plánuje v příštích 15 letech postavit asi 150 nových reaktorů jako součást svých plánů na snížení emisí, z Francie, plánující postavit nové reaktory jako základ pro reindustrializované a nízkouhlíkové hospodářství, a z Velké Británie, jež zavedla nový model financování velkých reaktorů a finančně podporuje výstavbu malých reaktorů.
Generální ředitel Rosatomu Alexej Lichačov na konferenci řekl: „COP26 uzavřela diskusi o tom, zda by jaderná energie měla být součástí globálního bezuhlíkového energetického mixu. COP26 byla pro jadernou energetiku přelomovým okamžikem. Moderní jadernou historii lze od nynějška rozdělit na před COP26 a po COP26.“
JADERNÁ FÚZE NA VÝSLUNÍ
Po celém světě dochází k pokrokům v klíčových technologiích, které naznačují, že by lidstvo mohlo brzy dosáhnout průlomu ve výrobě energie bez emisí skleníkových plynů. Začněme u jaderné fúze.
Vědci z Číny, USA i z Evropy věří v úspěšný vývoj komerčních jaderných fúzních reaktorů během příštího desetiletí. Jejich inovace sahají od supravodivých magnetů po supervýkonné lasery a supermalé nanostrukturované materiály, o kterých se předpokládá, že udělají realitou dávný sen o energii z jaderné syntézy.
„Výhoda úspěšné fúze je téměř neomezená,“ napsal v jednom novinovém článku Albert Wenger, výkonný ředitel společnosti rizikového kapitálu Union Square Ventures. „Trh výroby čisté energie představuje příležitost v hodnotě bilionů dolarů. Podle společnosti Materials Research Society je třeba v letech 2030 až 2050 celosvětově vybudovat kapacitu 26 TW primární energie, aby byly pokryty rostoucí globální energetické potřeby. Jediný terawatt kapacity vygeneruje tržby 300 miliard USD. 15% podíl z trhu vytvořeného mezi lety 2030 a 2050 by tak přinesl více než 1 bilion USD ročních příjmů.“
Udržet sílu Slunce na Zemi ovšem není snadné, a společnosti proto zkoušejí hned několik postupů. Výzkumníci přitom dosáhli technického pokroku v každém z hlavních technologických řešení, o která se společnosti pokoušejí, ať už jde o magnetická pole používaná v tokamakovém reaktoru, laserem iniciované fúzní reaktory, nebo hybridní přístupy.
TOKAMAK S PROBLÉMY
Mezi autory myšlenky na vytvoření fúzního reaktoru nazývaného TOKAMAK (тороидальная камера с магнитными катушками — toroidní komora v magnetických cívkách) patřil sovětský vědec Igor Kurčatov, který tehdy za asistence sovětské tajné policie vedl kolektiv fyziků pracujících na vývoji atomových zbraní. Tokamak byl tedy původně tajným sovětským projektem vývoje vodíkové bomby s řízenou termonukleární fúzí, jejíž realizaci navrhli výzkumníci Andrej Sacharov a Igor Tamm.
Ke skutečnému průlomu, vědeckému, technickému a politickému, ovšem došlo až po setkání amerického prezidenta R. Reagana a sovětského lídra M. Gorbačova v Ženevě v listopadu 1985. Zde se dohodli na projektu mírového využívání termojaderné fúze. Tak se zrodil megaprojekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor — mezinárodní termonukleární experimentální reaktor; v latině iter znamená cesta).
Koncepční práce však začaly až v roce 1988 a konstrukční řešení schválili členové v roce 2001. Na projektu se podílejí Evropská unie, Rusko, USA, Japonsko, Čína, Indie a Jižní Korea. Dohoda o jeho vybudování byla podepsána v roce 2006. Evropské státy poskytují 50 % finančních prostředků, Rusko přispívá kolem 10 % celkové sumy, které bude investovat formou dodávek zařízení.
Výstavba areálu o rozloze 42 ha začala v roce 2007 v Cadarache v jižní Francii. Samotný obří reaktor bude vážit 23 000 t. Pro výrobu elektřiny z plazmatu se palivo ve formě izotopů vodíku musí zahřát až na asi 150 milionů °C. Je zapotřebí řady nejmodernějších technologií v oborech, jako jsou supravodivé magnety, kryogenika, vakuum, diagnostika, řízení a plazmový ohřev.
Původně náklady měly činit 5 miliard eur, přičemž samotná stavba měla být dokončena v roce 2016. Projekt však má velké zpoždění a Bernard Bigot, generální ředitel ITER, na společné tiskové konferenci s eurokomisařkou pro energetiku Kadri Simsonovou přiznal, že ani termín posunutý na rok 2025 nebude dodržen. Reaktor je zatím hotový jen z poloviny a projekt už spolykal miliardy. Údajně třikrát více, než se původně uvažovalo.
OBŘÍ MAGNET NA STAVENIŠTI
Výstavba pomalu, ale přece jen pokračuje. Na staveniště ITER byl nyní dopraven masivní magnet postavený americkým výrobcem General Atomics. Připomeňme si, že tato společnost už od konce 80. let minulého století také provozuje v kalifornském San Diegu pro americké ministerstvo energetiky tokamak, který nese název DIII-D, protože plazma má tvar písmene D, který je nyní široce používán v moderních konstrukcích. Jde o jeden ze dvou velkých experimentů s magnetickou fúzí v USA. Druhým je tokamak NSTX-U v laboratoři PPPL (Princeton Plasma Physics Laboratory) spravované Princetonskou univerzitou. V současné době se reaktor modernizuje a do provozu má být opět uveden v příštím roce. Jednou z jeho priorit bude zjistit, zda obložení reaktoru lithiem pomůže udržet plazma stabilním.
Tato experimentální zařízení jsou zaměřena na výzkum a vývoj termojaderné fúze v kooperaci s projektem ITER, který je navržen tak, aby demonstroval samonosné hořící plazma, jež vyrobí 10× více energie z fúzních reakcí, než kolik potřebuje k ohřevu. Konečným cílem je ekonomicky výhodná fúzní elektrárna.
Byla to velká událost, když na staveniště dorazila první části nejvýkonnějšího magnetu světa. Magnet známý jako centrální solenoid bude tvořit srdce největšího fúzního reaktoru na světě. Po úplném sestavení bude centrální solenoid 18 m vysoký a 4,3 m široký. Bude schopen produkovat magnetické pole o síle 13 tesla (T = kg.s⁻².A⁻¹), tedy asi 280 000× silnější než magnetické pole Země. Je prý tak silný, že by dokázal zvednout celou letadlovou loď vážící kolem 100 000 t. Centrální solenoid se skládá ze šesti modulů, které budou naskládány uprostřed reaktoru ITER. Celý magnet bude vysoký jako čtyřpatrová budova a bude vážit 1 000 t. Každý jednotlivý modul je v podstatě velká cívka obsahující asi 5,6 km niobovo- -cínového supravodivého kabelu s ocelovým pláštěm.
Podle Faradayova zákona indukce vytváří elektřina procházející drátem magnetické pole kolmé na drát. Když je tento drát stočen do kruhu, vytváří elektrický proud kruhové magnetické pole a každá cívka sílu tohoto magnetického pole zesiluje. Solenoid je tedy vytvořen mnohonásobným svinutím drátu. Velikost a supravodivá povaha centrálního solenoidu mu umožňuje vytvářet silnější magnetické pole než cokoli, co bylo kdy postaveno.
ITER je navržen tak, aby uvolnil malé množství odpařeného deuteria a tritia (izotopy vodíku, tedy verze stejného prvku s různými atomovými hmotnostmi) do velké vakuové komory ve tvaru donutu (koblihy s otvorem), známé jako tokamak. Ten izotopy přehřívá a přeměňuje z plynného skupenství na plazma s teplotou 270 mil. °F, tedy 150 mil. °C. Bude tak 10× teplejší než jádro Slunce. Při této teplotě procházejí atomy fúzí, přičemž uvolňují velké množství energie, kterou lze využít k výrobě elektřiny ohřevem vody a vytvářením páry pro otáčení turbín.
Jaderná fúze již byla dosažena v několika tokamakových reaktorech z 50. let 20. století, ale vždy trvala jen několik sekund. Aby byla schopna dodávat energii, musí být tato reakce udržována konstantní rychlostí a musí spotřebovat méně energie, než kolik vygeneruje.
Jednou z největších překážek trvalé fúze je zadržování a manipulace s plazmatem uvnitř reaktorů. Zde vstupuje do hry právě centrální solenoid. Silné magnetické pole, které vytváří, by mělo být teoreticky schopné přidržet plazma uvnitř tokamaku a udržet reakci.
Výroba prvního centrálního solenoidového modulu trvala více než pět let. Koncepce skládání modulů byla zvolena kvůli bezpečné přepravě a také vhledem k eventuální možnosti budoucí výměny některé části magnetu. Je to jeden z příspěvků USA do mezinárodního projektu. Každá z 35 zúčastněných zemí přispěla k projektu navržením a výrobou některých z více než 1 milionů jednotlivých součástí reaktoru.
Centrální solenoid je přitom největším z několika příspěvků USA. Podle inženýrů tvoří přibližně 9 % celkových nákladů na ITER. General Atomics však vyvíjí i další technologie a komponenty, které pomohou při manipulaci s plazmatem. Další americké společnosti a univerzity pak poskytují chladicí a výfukové systémy, diagnostiku, přístrojové vybavení a ovládací prvky.
DALŠÍ PRŮLOM V TECHNOLOGII
Většina tokamaků vytvořila svá magnetická pole pomocí konvenčních elektromagnetů vyrobených z mědi, nejnovější a největší verze ve výstavbě ve Francii, nazvaná ITER, pak používá takzvané nízkoteplotní supravodiče.
Dalšího významného posunu ve vývoji technologie tokamaku dosáhlo centrum plazmatu a fúze na Massachusetts Institute of Technology (MIT) ve spolupráci se start-upem Commonwealth Fusion Systems. Hlavní inovací ve fúzním designu MIT-CFS je použití vysokoteplotních supravodičů, které umožňují vytvořit mnohem silnější magnetické pole na menším prostoru. Jejich konstrukce byla umožněna díky novému supravodivému materiálu, který se stal komerčně dostupným před několika lety, a vedl tak k návrhu zařízení SPARC, které má prokázat ekonomickou výhodnost této koncepce, než se přikročí k výstavbě závodu na výrobu elektřiny v plné velikosti.
Tamním vědcům se podařilo využít pokroku ve vědě o materiálech a umožnit menším magnetům dělat stejnou práci, jakou vykonávají obrovské magnety ITER. Zmenšením velikosti prý sníží náklady a bude možné postavit více reaktorů rychleji než dosud. Nový vysokoteplotní supravodičový materiál společnosti umožňuje vytvořit magnetické pole srovnatelné s 40× objemově větším zařízením využívajícím konvenčních nízkoteplotních supravodivých magnetů. Použití nových vysokoteplotních supravodivých magnetů umožňuje aplikovat desetiletí experimentálních poznatků získaných provozováním experimentů s tokamaky, včetně vlastní řady Alcator MIT. Nový přístup tak využívá dobře známý design, celé zařízení (tedy nejen magnety) však díky silnějšímu magnetickému poli zmenšuje přibližně na polovinu velikosti při zachování výkonu.
Letos 5. září dosáhl velký vysokoteplotní supravodivý elektromagnet hodnoty 20 T a vytvořil tak nejsilnější magnetické pole svého druhu, jaké kdy na Zemi vzniklo. Tato úspěšná demonstrace pomáhá vyřešit největší nejistotu ve snaze postavit první fúzní elektrárnu na světě. Demonstrační zařízení nazvané SPARC má být dokončeno v roce 2025.
LASERY HLÁSÍ SENZACI
V době, kdy se tým na MIT připravoval na testování nové konstrukce magnetu a supermagnet pro ITER putoval přes Atlantský oceán do Francie, probíhal v Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) blízko San Franciska v severní Kalifornii další test jiného druhu fúzního reaktoru. Stalo se tak v laboratorním komplexu, kde zkoumají nejen energii, ale i termonukleární zbraně. To je důvod, proč fyzici v nejvýznamnějším laserovém zařízení amerického ministerstva energetiky překonali 8. srpna svůj vlastní světový rekord. Vědci soustředili vysoce výkonné lasery zařízení NIF (National Ignition Facility) o velikosti tří fotbalových hřišť do cíle o velikosti gumy na tužce, aby vyprodukovali 10 kvadrilionů wattů fúzní energie po dobu 100 biliontin sekundy.
Zařízení NIF v hodnotě 3,5 miliardy dolarů, které je součástí LLNL, bylo navrženo tak, aby zkoumalo fúzní reakce v srdci termonukleárních zbraní, nikoli jako plnohodnotná elektrárna. Po americkém zákazu podzemních jaderných zkoušek v roce 1992 však energetické oddělení navrhlo, aby se stalo součástí rozsáhlého programu Stockpile Stewardship Program, který testuje spolehlivost jaderných zbraní, aniž by ve skutečnosti spustil detonaci.
Nový rekord byl výsledkem několika změn v celém výzkumném systému, od laserové přesnosti přes vylepšené techniky výroby terčů až po diagnostiku. To vytváří podmínky pro vybudování komplexního programu, který může studovat jaderný arzenál Spojených států prostřednictvím superpočítačů v NIF.
Výsledek experimentu byl vyvrcholením let výzkumu a vývoje v oblasti laserů, optiky, diagnostiky, výroby terčů, experimentálního designu a počítačového modelování a simulace vedoucího ke prahu vznícení, kdy imploze produkuje více fúzní energie, než je množství laserové energie dodané do cíle. Pomocí 192 laserových paprsků výzkumníci dosáhli teploty 100 milionů K a tlaků stovek miliard zemských atmosfér.
Tento velkoplošný vysokoteplotní supravodivý magnet navržený a vyrobený společností Commonwealth Fusion Systems a MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) prokázal rekordní magnetické pole 20 T. Jde o nejsilnější fúzní magnet na světě. Skládá se z 16 desek naskládaných dohromady, z nichž každá by sama o sobě byla nejvýkonnějším vysokoteplotním supravodivým magnetem na světě
Vědci tak na velice krátkou dobu vyprodukovali 1,3 MJ energie, tedy asi 3 % energie obsažené v 1 kg ropy. Ačkoliv se to na první pohled může zdát jako málo, s ohledem na časový úsek jde o fantastický výkon, neboť ve zlomku sekundy dosáhla rozsahu ekvivalentního zhruba 700násobku výrobní kapacity celé americké elektrické sítě ve stejném okamžiku! Představuje tak 8násobné zlepšení proti experimentům prováděným letos na jaře a 25násobný nárůst proti rekordnímu výkonu v roce 2018.
Generovaná energie fúze byla asi pětinásobkem energie absorbované kapslí a celkově vytvořila asi 70 % energie spotřebované lasery. Po zlomek sekundy se podařilo udržet v chodu fúzní reakci, která spotřebovala jen o třetinu více energie, než kolik jí vyrobila. Jde o úspěch, i když k praktickému využití je třeba účinnost řádově zvýšit, snad stokrát nebo tisíckrát. Laser v Livermore je nyní schopen vystřelit přibližně jednou za den, bylo by však potřeba, aby takový výkon opakoval několikrát za sekundu.
S nejnovějším průlomem v oblasti laserové fúze vědci začínají věřit, že NIF by mohl uspět v tomto záměru, nejen pro válečné, ale také pro mírové účely.
DALŠÍ SYSTÉMY NASTUPUJÍ
Slibné pokroky v magnetických a inerciální výzkumech jsou dobrým znamením také pro General Fusion — kanadskou společnost využívající prvky obou přístupů pro svůj magnetizovaný cílový fúzní reaktor. Na základě návrhu, který byl ve své první verzi vytvořen už v 60. letech 20. století, patří General Fusion mezi nejstarší a nejlépe financované společnosti zabývající se jadernou fúzí.
Letos v červnu společnost oznámila, že v Culhamu, malém městečku na ohybu řeky Temže, postaví demonstrační zařízení Fusion. Elektrárna bude asi o třetinu menší než komerční fúzní reaktor. Technologie General Fusion nahrazuje supervýkonné magnety elektrickými pulzy, které vstřikují samostabilizované plazma do jádra reaktoru. Jádro je obklopeno roztavenou kombinací lithia a olova, které je během milisekund stlačeno obrovskými písty, aby se vytvořily miliardy atmosfér tlaku. Kombinací těchto sil by měla vzniknout fúzní reakce, jejíž energie bude zachycena v tekutém lithiu a olovu a přeměněna na tepelnou energii používanou k pohonu parních turbín.
Současnému optimismu General Fusion se vyrovná pouze další ze staré gardy fúzních technologií — TAE Technologies. Tato společnost, dříve známá jako Tri-Alpha Energy, vyvíjí svou fúzní technologii již 20 let. V dubnu oznámila dosažení vlastního milníku na cestě k vytvoření fúzního reaktoru. Na půli cesty mezi San Diegem a Los Angeles se společnosti podařilo dosáhnout teploty 50 mil. °F (27,8 mil. °C) během několika set testovacích cyklů pro svůj experimentální reaktor nazvaný Norman (podle spoluzakladatele společnosti Normana Rostokera). Technologii si nechala patentovat. Principem 24 m dlouhého zařízení o průměru 7 m a hmotnosti 27 t je vstřikování atomů vodíku s vysokou energií do plazmatu, čili pokročilá reverzní konfigurace pole řízená paprskem (advanced beam-driven field reversed configuration). TAE Technologies tvrdí, že je už šest let schopna udržet plazma v reakci po neomezenou dobu. Nyní prokázala, že dokáže dosáhnout teplot potřebných k provedení fúzní reakce.
Spojené království nedávno zahájilo projekt Spherical Tokamak for Electricity Production (STEP), jehož cílem je vyvinout reaktor, který se připojí k energetické síti ve 40. letech. Čína také podporuje výrobu izotopů tritia a elektřiny. A také Evropa plánuje otevřít další tokamak — DEMO (Demonstration Power Plant). Za 30 let.
Pokud bude vývoj fúzních elektráren úspěšný, mohla by tato technologie do roku 2060 pokrýt asi 1 % celosvětové poptávky po energii. Pokračování příště