Slunce na Zemi: Daleká cesta k fúzi

Jaderná fúze je proces, během kterého se spojí dvě jádra lehčího prvku a vytvoří prvek těžší. Nejsnáze tento proces probíhá u těch nejjednodušších, tedy u jader vodíku, které spojením vytvoří atom helia. Jelikož je výsledný atom o něco lehčí než jádra, ze kterých vznikl, zbude po proběhlé reakci nepatrný zlomek hmoty, který je vyzářen v podobě energie. Slavná Einsteinova rovnice E = mc² nám prozradí, že se v tomto zdánlivě jednoduchém procesu ukrývá ohromné množství energie. Je jí dost na to, aby poháněla hvězdy, a lidské civilizaci by mohla sloužit po zbytek její existence. Důvod, proč ji ještě nevyužíváme, spočívá v tom, že abychom začali kvanta energie získávat, musíme nejdříve celý proces slučování jader nastartovat. A to není vůbec jednoduché.

Atomová jádra disponují kladným elektrickým nábojem a navzájem se proto odpuzují. V případě hvězd překonává odpudivé síly gravitace. V gigantických objemech plynů, které tato síla v nitrech hvězd stlačuje, stačí k zažehnutí fúze teplota kolem 15 milionů °C. Pokud tento proces budeme napodobovat na Zemi, musíme si vystačit s daleko nižším tlakem a objemem, což bohužel nevyhnutelně znamená, že musíme zvýšit teplotu a jako palivo využívat těžké izotopy vodíku, které podstatně snáze reagují. Experimentální fúzní reaktory proto operují s teplotami v řádech i stovek milionů stupňů, při kterých je plyn ionizovaný, tj. jde o horké fyzikální plazma. Takový proces samozřejmě vyžaduje obrovské množství energie a další kvanta jsou spotřebována na vytváření silného magnetického pole, které zabraňuje kontaktu plazmatu se samotným reaktorem. Celý systém je celkově tak náročný a složitý, že podmínky nezbytné pro slučování jader dokážeme udržet maximálně několik minut. A navzdory dekádám úsilí jsme zatím nedokázali vyvinout reaktor, který by produkoval více energie, než kolik do něj vkládáme.

„Současný stav experimentů s jadernou fúzí nepokračuje rychleji především proto, že se při nich pohybujeme na samých hranicích technologických možností,“ vysvětluje Jan Mlynář z Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd.

Asi nejlepším příkladem, na kterém je možné toto tvrzení ilustrovat, je mezinárodní projekt experimentálního termonukleárního reaktoru ITER. Jeho vznik iniciovali už v roce 1985 prezidenti R. Reagan a M. S. Gorbačov. Reálně se ale začal stavět až v roce 2012, první pokusy by měly začít v roce 2025 a plné využití se odhaduje ještě o deset let později. 

Pro laika je těžké si představit, co může na stavbě jednoho zařízení tak dlouho trvat. Když se na něj ale podíváme zblízka, začne být leccos jasné. ITER má být nejdražší výzkumné zařízení, které lidstvo na Zemi postavilo. Vysoký bude jako pětipatrová budova a jen samotný prstenec, ve kterém bude v magnetickém poli levitovat plazma, váží přes 5000 tun. Každá jedna součástka tohoto kolosu, od systémů vyrovnávání seismických otřesů po mamutí supravodivé magnety chlazené téměř k absolutní nule, musí být naprosto bezchybná. Sebemenší defekt kteréhokoliv z milionů dílků obří skládačky může způsobit, že ITER nebude fungovat.

ITER má být největším, ale zdaleka ne jediným experimentem, na kterém bude výzkum jaderné fúze probíhat. V současnosti působí v oboru desítky týmů od velkých mezinárodních výzkumných center po malé startupy. Finance do výzkumu vkládají státy, soukromé firmy, ale i armády. Každých několik měsíců proběhne médii zpráva ohlašující potenciální průlom, který ale během následujících týdnů většinou upadne v zapomnění. 

„Nové koncepty a nápady rozhodně nezavrhuji,“ komentuje to Jan Mlynář. „Ve výzkumu jaderné fúze se ale ukazuje, že systematická vědecká práce přináší lepší výsledky než na první pohled převratné novinky.“

Z jeho pohledu se současný výzkum soustřeďuje do tří hlavních směrů.

První je založen na technologii izolace plazmatu magnetickým polem. Jeho testování začalo už v roce 1958 v ruském tokamaku T-1 a jeho zatím poslední fází je stavba projektu ITER. Druhý směr, známý pod termínem stelarátor, využívá pro izolování plazmatu také magnetické pole. Pracuje však s odlišnou konstrukcí magnetů, která generuje plazma s vyšší hustotou a stabilitou. Oproti tokamaku má ale horší izolační vlastnosti a je velmi náročný na konstrukci (pro výpočet konfigurací je nutné zapojení nejmodernějších superpočítačů). Třetí směr se ubírá odlišnou cestou inspirovanou prvními úspěšnými fúzními reakcemi, které člověk dokázal spustit, tedy výbuchy vodíkových pum. V těch bylo slučování jader vodíku nastartováno primární jadernou explozí. Inerciálně udržitelná fúze, jak se testovaná technologie nazývá, namísto ní využívá supervýkonné lasery (nebo výhledově svazky částic), kterými stlačuje a zahřívá mikroskopické pelety bezpečného množství termojaderného paliva.

„Tato technologie se intenzivně zkoumá v USA a ve Francii a velké prostředky do ní investovala armáda USA,“ vysvětluje Jan Mlynář. „Bohužel prozatímní výsledky nejsou příliš optimistické.“

Laboratoře v Los Alamos, kde se inerciálně udržitelná fúze testuje, mají v historii jaderné energetiky významné postavení. Za druhé světové války zde tým vědců a inženýrů úspěšně vyvinul technologii jaderného štěpení. Současný výzkum jaderné fúze poskytuje k této etapě historie zajímavou paralelu. 

Projekt Manhattan disponoval z dnešního pohledu doslova primitivními nástroji. Většina výpočtů například probíhala buď ručně, nebo na kartových mechanických počítačích. Díky masivní armádní podpoře přesto tým Roberta Oppenheimera dospěl k úspěšnému řešení za pouhé čtyři roky. Co by se stalo, kdybychom stejné podmínky poskytli dnešním vědcům?

„Osobně jsem zastáncem názoru, že pokud bychom měli k dispozici neomezený rozpočet a materiální podporu, měli bychom fungující fúzní reaktor už dávno,“ krčí rameny Jan Mlynář.

„Technologie, která se dnes staví v ITER, už byla známá před třiceti čtyřiceti lety. Neměli bychom samozřejmě k dispozici dnešní technologie, materiály a znalosti. Reaktor by tedy asi nefungoval optimálně a musel by se postupně vylepšovat. Byl by ale v provozu a měli bychom díky němu k dispozici několik dekád výsledků praktických experimentů. S fungující fúzní elektrárnou je to trochu jiné,“ dodává.

„Aby byla schopna vydržet podmínky nepřetržité fúze, vyžaduje její konstrukce použití materiálů, které ještě nemáme k dispozici. Odborníci na materiály věří, že je do doby spuštění elektrárny dokáží připravit. Když ale žádají o přidělení rozpočtu na jejich vývoj, dostanou odpověď, že všechny prostředky směřují do stavby ITERu. Vývoj materiálů tedy odkládáme, přestože víme, že je budeme potřebovat. Což je samozřejmě škoda.“

Zprávy o stavu výzkumu jaderné fúze se dnes dělí do dvou kategorií. První obsahuje senzační sliby převratných objevů, druhá pak nepříliš povzbuzující informace o desítkách let, které nás dělí od reálně využitelných výsledků. Pro laika je proto složité udělat si o stavu vývoje jaderné fúze jasnou představu. Jak ji vidí Jan Mlynář, který se na výzkumu sám podílí? 

„Kdybych měl přirovnat fúzi k ohni, tak jsme ve fázi, kdy víme, že se křesáním dá oheň zažehnout. Fungující fúzní elektrárna je potom zhruba na úrovni zvládnutého ohně. Jejich první generaci bychom mohli mít někdy v druhé polovině tohoto století, fúzní pohony raket a další praktické aplikace jsou ještě v daleké budoucnosti. Jak daleké, to nedokážu odhadnout. Čím déle se na celém procesu podílím, tím pravdivěji mi znějí slova Lva Arcimoviče, prvního šéfa fúzního výzkumu v Sovětském svazu. Ten jednou řekl, že jadernou fúzi budou lidé mít, až když ji budou opravdu potřebovat.“