Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu

Jaderná fúze zažila „průlom“. A teď tu o Karkulce...

aktualizováno 
Velká americká firma se pustila do vývoje energetického zdroje, který by na Zemi napodobil proces probíhající v jádru Slunce. Do problému zvládnutí tzv. jaderné fúze se pustil tým ve slavných vývojových dílnách Skunk Works. Ale na překonání pochybností slavné jméno nestačí.

Pohled do nitra fúzního zařízení ve Skunk Works. Tři „kruhy“ na obrázku jsou supravodivé magnety, které vytvářejí základní tvar pole udržujícího plazma na místě. | foto: Lockheed Martin

Největší dodavatel amerických ozbrojených složek minulý týden vykročil do vod, které jsou pro něj trochu netradiční. Firma Lockheed-Martin přišla s tiskovým prohlášením (je dostupné zde), že pracuje na systému jaderné fúze a do deseti let by měla mít k dispozici první funkční prototyp malého zdroje prakticky „čisté“ energie v téměř neomezeném množství.

Zpráva se rychle rozšířila po velké části zpravodajských serverů a dorazila i do Česka (přehled zpráv zde). V podstatě všechny variace na tuto zprávu tvrdí, že firmě Lockheed Martin se podařil „průlom“ v této technologii (byť původní tisková zpráva tento termín neobsahuje a jen oznamuje, že firma na tomto problému pracuje), ale jeho podstatu příliš nevysvětlují. Údiv médií je tak trochu jejich (či spíše naše) chyba; představitelé týmu o projektu mluvili už v roce 2013 v rámci „vizionářských“ projevů firmy Google X (video zde), ale detailů bylo tedy ještě méně než dnes.

Samozřejmě podstata celého systému je dobře známá už téměř sto let: energie má v systému vznikat při spojování atomových jader do složitějšího atomu, při čemž se uvolňuje energie (v tomto případě hlavně v podobě neutronů). Jde o stejný pochod, který „pohání“ hvězdy, a pravý opak štěpení, které probíhá v dnešních jaderných elektrárnách. V nich se naopak složitější jádra rozpadají na jednodušší, ale oba procesy mají společné, že se při nich uvolňuje značné množství energie.

Rozžhavené plazma ve fúzním reaktoru firmy Lockheed-Martin.

Rozžhavené plazma ve fúzním reaktoru firmy Lockheed-Martin.

Zatímco štěpení se ukázalo jako relativně snadno přístupné a podařilo se ho energeticky využít už v 50. letech (i když samozřejmě to mělo a má svá úskalí), jadernou fúzi se nám zvládnout vůbec nedaří. Vousatý vtip říká, že jaderná fúze je už od 50. let stále 20 let od uvedení praxe. Ukázala se jako podstatně obtížnější problém, než naznačovaly odhady odborníků hlavně v druhé polovině 20. století.

Silový problém

Princip přitom není tak složitý. Slučování jader je podobná práce jako snaha přiblížit dva magnety shodnými póly k sobě (i když jen analogicky): potřebujete k tomu opravdu extrémní sílu. V dostatečně extrémních podmínkách se tak čas od času s jistou pravděpodobností stane. Na Slunci šanci zvyšuje kombinace ohromného tlaku (fúze probíhá v jeho středu, ne u povrchu) a vysokých teplot. Díky nim mají jádra dost energie a tak málo místa, že čas od času překonají ohromné síly, které obvykle brání jejich slučování, a dvě se spojí v jedno.

My nevíme, jak na Zemi dosáhnout takových tlaků (s výjimkou jaderných bomb, ale ty se pro výrobu energie nehodí), a tak o to více zvyšujeme teplotu. V tokamacích je teplota kolem 100 milionů stupňů Celsia, zatímco ve středu naší hvězdy by podle dnešních modelů měla být teplota cca 15,7 milionů stupňů. Takto horkou látku samozřejmě nelze udržet v žádné nádobě, a tak se od začátku výzkumu v minulém století k jejímu udržení používalo magnetické pole, ve kterém „levituje“ plazma (plazma - ve fyzice vždy rodu středního - je plyn, ve kterém jsou místo atomů nabité částice, tedy ionty a elektrony).

tokomak Compass

tokomak Compass

Udržet plazma ve vykázaném prostoru za běžných podmínek není těžké (zručný kutil si jednoduchý fuzor může postavit doma a uvidí výsledky fúze na vlastní oči). Ovšem dokázat to za podmínek nutných pro fúzi ve velkém měřítku se ukázalo jako podstatně obtížnější. Není to nemožné, k fúzi jader dochází ve fyzikálních laboratořích běžně, ale vždy je to ztrátový proces: na udržení a zahřátí plazmatu vynaložíme nakonec vždy více energie, než bychom z něj mohli získat při výrobě energie. Toto energetické manko se v posledních 50 letech pravidelně zmenšuje, ale stále jsme se nedostali do oblasti černých čísel.

Na základě dnešních znalostí a technických schopností vychází, že fúzní reaktor bude na Zemi fungovat jedině tehdy, bude-li dost velký – odhadem zhruba 40 metrů na výšku. „Hlavní obtíž skutečně je, že nám vychází, že s dostupnou technikou musí být horké plazma přeci jen dost velké, aby částice paliva (jádra těžkého vodíku) v reaktivní oblasti pobyly dostatečně dlouho – aby stihly zreagovat na hélium,“ říká fyzik Jan Mlynář z Ústavu fyziky plazmatu.

V menších zařízeních (jako třeba tokamak COMPASS právě v Ústavu fyziky plazmatu) jich příliš mnoho utíká ven – sice se průběžně doplňují, ale musí se přitom pochopitelně znovu ohřát. „Čili to pak stojí více energie, než kolik uvolňuje fúze,“ shrnuje tyto jednoduché počty Jan Mlynář.

Víme jak na to. Zaručeně!

Během téměř celých dějin výzkumu tohoto problému se vždy najde někdo, kdo má pocit, že dokáže fúzní účetnictví vylepšit. Nemluvíme teď o různých podvodnících, ale o výzkumnících či firmách, které se domnívají, že v rámci seriózního výzkumu přišli na něco, co ostatní přehlédli, nebo nedotáhli.

Minulý týden se mezi ně zařadilo jedno z nejslavnějších vývojových pracovišť posledního století. Jde o Skunk Works (ano, doslova „Skunčí dílny“) firmy Lockheed-Martin. Představila projekt vývoje malého fúzního reaktoru s výkonem cca 100 megawattů, což je malý elektrárenský blok vhodný třeba pro dodávky elektřiny pro nějaké městečko nebo průmyslový závod (stránky projektu jsou dostupné zde). Tvrdí, že místo 40 metrů by si jejich reaktor měl vystačit s rozměry kolem sedmi metrů, a měl by být tedy výrobně mnohem jednodušší a levnější.

Schéma fúzního zařízení ze Skunk Works podle Lockheed Martin. Plazma je...

Schéma fúzního zařízení ze Skunk Works podle Lockheed Martin. Plazma je vyznačené fialově (podobnou barvu má i na pohled ve skutečnosti). Jeho na pohled zvláštní tvar údajně pomáhá udržet plazma ve stabilním stavu

Jak je při podobných příležitostech obvyklé, na fakta jsou stránky projektu spíše chudé. Nemáme k dispozici žádnou vědeckou publikaci, nejlepší informace jsou tedy z tisku (doporučujeme přehled v Aviation Week, jehož reportér obsáhle mluvil s vedoucím projektu Thomasem McGuirem). Základem je magnetická komora, ve které je na vysokou teplotu zahřáté plazma složené podle všeho ze dvou různých „forem“ vodíku s různým počtem neutronů v jádře (jde tedy o izotopy, a to deuterium a tritium). Zjednodušeně proces probíhá tak, že když dojde na spojení dvou atomů v plazmatu, vznikne helium a uvolní se neutrony. Tyto částice bez náboje magnetická past neudrží, vyletí, srazí se s materiálem stěny, předají mu část energie a zahřejí ho. Toto teplo pak má sloužit ke generování energie, třeba v turbíně.

Budoucnost v duši (od kola)

Klíčová je v tuto chvíli první část celého procesu, tedy srážení atomových jader s takovou četností, aby vznikalo podstatně více energie, než je zapotřebí na vytvoření „pasti“.

Za nejslibnější (což neznamená nutně úspěšný) princip se přitom dnes běžně považuje udržení plazmatu v magnetickém poli. Ztělesňují ho po světě desítky zařízení zvaných tokamaky (včetně dvou v ČR), které mají v experimentech zatím nejlepší naměřené výsledky a nejvíce se přiblížily hranici energetické „ziskovosti“.

Termonukleární reaktor ITER

Termonukleární reaktor ITER

Největším z těchto projektů je mezinárodní projekt ITER, který se staví na jihu Francie a který by měl být už ukázkou technologické schůdnosti stavby fúzních elektráren. Tokamaky používají k udržení plazmatu komoru tzv. toroidální, tedy podobnou duši od kola. Plazmu od stěn udržuje magnetické pole, které má tvar zhruba jako drát omotaný po povrchu duše.

Magnety v designu Lockheedu vytvářejí pole se složitějším tvarem, který však zhruba kopíruje tvar komory s konci uzavřenými silným magnetickým polem, tzv. „magnetickými zrcadly“. Jistý podiv vzbuzuje, že ve Skunk Works umístili magnety přímo v komoře s plazmatem, tedy v místě, kde panují extrémní podmínky. Nejde o teplotu, ale především o vliv neutronů vznikajících při fúzi. Ty dokážou rychle narušit a poničit i velmi odolné materiály, proto se u většiny návrhů důkladně chrání několik desítek centimetrů silnou vrstvou nějakého stínícího materiálu. Podle McGuira nakonec stínění zakomponováno do projektu bude, ale ještě není jasné jak a nakolik to zvětší jeho nyní vychvalované malé rozměry (jeho vyjádření zde)

A co je na celém konceptu převratného? Upřímně řečeno, na pohled ne mnoho. Podobný koncept kruhových magnetů sestavených do řady (anglicky nazývaný „picket fence“ - laťkový plot) je známý od 50. let, upozornil časopis Science. Tehdy se ovšem ukázalo, že zařízení by bylo přece jen dost děravé – plazma by z něj unikalo, a tak se vývoj zastavil. Dnes sice existují některé technologie, které tehdy nebyly dostupné, ale je otázka, zda původní slabiny dokážou vynahradit.

Tom McGuire vedle fúzního zařízení, které Lockheed-Martin postavil v dílnách...

Tom McGuire vedle fúzního zařízení, které Lockheed-Martin postavil v dílnách Skunk Works.

Složenina

Koncept si vůbec půjčuje celou řadu rysů z jiných alternativních nápadů na vytvoření fúzního reaktoru. Například si půjčuje některé rysy ze zařízení Polywell, které představuje pokus o kombinaci udržení plazmatu v magnetickém a elektrickém poli. (Elektrické pole navíc ještě urychlovalo částice, a zvyšovalo tak jejich energii a šanci na fúzi.)

Nedá se říci, že by podobné alternativní přístupy vůbec neměly smysl. Po desítkách let se například vrátila pozornost vědců k zařízení, které před půl stoletím vytlačily z výzkumu tokamaky. Jde o tzv. stelarátory, které vypadají také trochu jako duše od kola (ale hodně zprohýbané). Oproti tokamakům mají jisté výhody: plazmatem v nich neprobíhá elektrický proud, který sice zlepšuje možnosti udržení plazmatu, ale zároveň narušuje jeho stabilitu.

V 90. letech se zlepšování výkonů tokamaků příliš nedařilo, a tak se znovu obrátila pozornost ke stelarátorům, které umožňují některé problémy obejít. Na světě tak vzniklo několik zařízení, která dnes přispívají k poznání této problematiky z nového pohledu a třeba nakonec nabídnou něco opravdu zásadně přelomového.

V tuto chvíli je šance vzkříšených stelarátorů na velký vědecký přínos asi větší než v případě Lockheedu, který zatím vlastně nic nepředvedl. Firma zatím jen ukázala komoru na udržení plazmatu, ve které mělo údajně proběhnout zhruba 200 zkoušek udržení se zahříváním maximálním výkonem kolem jednoho kilowattu (používají se rádiové vlny, což není v této oblasti neobvyklé). Lockheed-Martin ale zatím nesdělil ani základní parametry dosažené během zkoušek - na jakou teplotu se plazma podařilo zahřát, jakou mělo hustotu, jak dlouho se ho podařilo udržet - takže jeho účinnost jednoduše nejde posoudit. McGuire pro časopis Science řekl, že výsledky by měly být zveřejněny někdy během příštího roku.

Vakuová komora tokamaku COMPASS S laskavým svolením Ústavu fyziky plazmatu...

Vakuová komora tokamaku COMPASS S laskavým svolením Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR, v.v.i.

Vějička?

V takové situaci se samozřejmě nabízí otázka, proč společnost vůbec s oznámením přicházela. Je samozřejmě možné, že se pokoušela jen získat mediální pozornost, což se bezesporu povedlo. Stejně dobře možné je, že firma chce fúzní projekt využít jako lákadlo pro schopné a zapálené mladé odborníky, z nichž řada půjde raději pracovat na mírovém projektu než na vývoji zbraňových systémů.

Fyzik Radek Škoda se na svém blogu dokonce domnívá, že jde v podstatě o zástěrku pro získání odborníků na zbrojní projekty. Odborníci na fyzikální a technické otázky spojené s jadernou fúzi mohou totiž stejně dobře najít uplatnění ve výzkumu a vývoji jaderných zbraní, jak se jaderný fyzik Škoda přesvědčil, když mu americká armáda přetáhla dva dobré studenty k práci na vojenských projektech. (Na upřesňující otázku Technetu Škoda uvedl, že studenty jednoduše přeplatila laboratoř Sandia, která je pevně spjatá s vojenským výzkumem.)

I když jde samozřejmě jen o hypotézu, není neuvěřitelná: firmy s vojenskou technikou mají obecně trochu větší problém s najímáním nových zaměstnanců, jak autorovi potvrdili například představitelé evropské asociace obranného průmyslu ADS při své jarním zasedání v Praze. Práce na vojenských projektech není podle všeho dnes pro většinu techniků sama o sobě žádný velký tahák.

Civilní projekt v prestižních Skunk Works by mohl být vstupenkou do firmy i pro ty, kdo by jinak nad podobným krokem více váhali. Dává to asi větší smysl než prohlášení, že v roce 2020 firma bude mít prototyp fúzního generátoru o výkonu 100 MW, který se vejde na korbu nákladního auta.



Témata: Reaktor




Hlavní zprávy

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2016 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je součástí koncernu AGROFERT ovládaného Ing. Andrejem Babišem.