Recept na věčnou energii je prostý, ale… Letos by mělo padnout několik významných rozhodnutí o stavbě experimentálního termonukleárního reaktoru ITER.
Vyřešení léta se táhnoucího sporu mezi státy spolupracujícími na projektu otevře cestu k prozkoumání možností výroby energie stejnou metodou, jakou to umí hvězdy. Mohou se tím definitivně vyřešit energetické problémy lidstva?
Prakticky nevyčerpatelný zdroj energie ukrytý v syntéze jader vodíku znají lidé už pěkných pár desítek let – bohužel zatím stále jen v podobě termonukleární bomby. Přitom recept na výrobu obrovského množství energie pomocí termojaderné fůze je zdánlivě prostý: vezměte pár atomů izotopu vodíku, zahřejte je a stlačte a máte po starostech s vysychajícími zdroji ropy. Jenže právě v tom je potíž.
„Udržet podmínky pro termojadernou reakci se dá přirovnat ke snaze udržet pohromadě pudink pomocí gumičky na vlasy, “ vysvětloval obtížnost problému otec vodíkové bomby Edward Teller.
Jak to vlastně funguje
Obecně znamená termojaderná reakce slučování izotopů lehkých prvků za vzniku těžších při uvolnění energie. Po reakci hmoty s antihmotou (anihilaci) jde o druhý nejvydatnější zdroj energie ve vesmíru. Je známo několik možných druhů termojaderné reakce využívajících různých prvků. Pro výrobu elektřiny v pozemských podmínkách se zatím jako nejvýhodnější jeví slučování deuteria (vodíku s jedním neutronem) a tritia (vodíku se dvěma neutrony), přičemž vzniká izotop helia 4He a uvolňují se neutrony.
Deuteria je dost v obyčejné vodě – například v jediném litru je ho tolik, že při fúzi vydá stejné množství energie jako 300 litrů benzínu. S tritiem už je to horší, protože na Zemi je vzácné. Vzniká však při ozařování lithia neutrony. Záření termonukleárního reaktoru by tedy současně mohlo vyrábět i druhou složku paliva pro něj.
Takže teď už zbývá jen vytvořit takové podmínky, aby se izotopy opravdu slučovaly. Překonat odpudivé síly mezi atomy je možné zvýšením teploty a tlaku. Potíž je v tom, že ono stlačení představuje miliony atmosfér a zahřátí na sto milionů stupňů. Dlouhodobě se takové podmínky udržují pouze v nitru hvězd, včetně našeho Slunce, zatímco na Zemi až do exploze první vodíkové pumy patrně nikdy nenastaly.
Rozbuškou je jaderná puma
Vlastně jde o opačný postup než jakým fyzikové postupovali při ovládnutí štěpné jaderné reakce v uranu či plutoniu. Tehdy se nejdříve podařilo postavit reaktor, teprve poté atomovou pumu. U termojaderné reakce ale vědci začali přímo bombou, protože již dříve vytvořená jaderná puma mohla snadno posloužit jako rozbuška, v jejímž žáru a tlaku se izotopy vodíku začaly ochotně slučovat. První pokusná vodíková bomba explodovala roku 1952 na tichomořském atolu Bikini.
Tehdy se zdálo, že zpomalit a ovládnout tento proces v rektoru bude sice obtížné, ale ne neřešitelné, a tak už víc než půl století odborníci uklidňují lidstvo, že jaderná fúze vyřeší všechny energetické problémy. Podle prognóz z 50. a 60. let měla dnes být energetická krize už definitivně zažehnána. Nejen že se tak nestalo, ale nic nenasvědčuje tomu, že k tomu v dohledné době dojde. Přesto už známe alespoň jeden poněkud konkrétnější výhled: první experimentální reaktor se bude jmenovat ITER. Pokud vše půjde dobře, podaří se díky němu využít síly hvězd někdy okolo roku 2050.
Pět vteřin a dost!
Už desítky let usilují fyzici o ovládnutí termojaderné reakce. Míří k tomu po dvou hlavních cestách: buď pomocí laserových pulsů (tuto cestu preferují v USA), nebo v prstencových komorách, takzvaných tokamacích, stlačováním horkého plazmatu pomocí elektromagnetického pole, takže nedochází k jeho styku s vnitřním povrchem reaktoru. Ani touto metodou ovšem nebylo dosaženo potřebných ukazatelů, a tak se plazma ještě dál ohřívá, například pomocí laserů, mikrovln apod. Po utracení stovek miliard dolarů mohli vědci konečně oznámit jakýsi úspěch, když roku 1991 dosáhlo britské zařízení JET krátkodobě výkonu 1,7 MW. O dva roky později se totéž povedlo v USA. Ale ještě roku 2000 se v britském Culhamu nepodařilo udržet potřebný tlak a teploty déle než 5 sekund.
Druhý největší projekt lidstva
Snaha omezit výdaje a zefektivnit výzkum vedla už roku 1986 ke vzniku projektu Mezinárodního termonukleárního experimentálního reaktoru (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER). Není bez zajímavosti, že ve staré latině slovo „iter“ znamená cestu. Vznikl tak projekt, který je po Mezinárodní kosmické stanici druhým největším projektem lidstva.
Účastníky projektu ITER původně byly USA, západoevropské státy, SSSR a Japonsko. Po přistoupení k EU se tedy ITER začal týkat i České republiky, kde se nyní řeší některé dílčí úkoly.
Reaktor i něco spotřebuje
ITER ale ještě zdaleka není zařízení, které by „vyrábělo“ elektřinu, reaktor měl pouze sloužit jako zdroj zkušeností pro vývoj komerčně použitelných technologií. Zajímavá je ale technická stránka projektu. Pro dosažení teplot a tlaků potřebných k zažehnutí fůze v ITER vědci zvolili již zmíněnou koncepci tokamak. Jde o prstencovou nádobu, v níž je plazma udržována v požadovaném tvaru a hustotě pomocí silného magnetického pole supravodivých elektromagnetů, které je nutno ochlazovat na teplotu hluboko pod bodem mrazu. Teplo, které se při termojaderné reakci uvolní, odvádí chladící médium. Bude nutné chladit tepelný výkon asi 450 MW. K reaktoru bude nutné naopak přivést asi 120 MW elektrického výkonu z rozvodné sítě, což je pro představu výkon vodní elektrárny Lipno.
U skutečných elektráren – stejně jako v jaderných zařízeních – bude odváděné teplo pohánět turbíny elektrických generátorů. ITER musí mít také mohutný biologický štít, protože vlastní reakce je zdrojem silné radioaktivity.
Pokusný reaktor by měl při pulsech trvajících asi 400 sekund produkovat výkon okolo 500 MW – od toho je však třeba odečíst nemalou spotřebu na dosažení a udržení potřebných hodnot magnetického pole, teploty 100 milionů stupňů, a na provoz celého zařízení.
Kdy se začne stavět?
Letos by se snad konečně mohlo začít se stavbou, k tomu ale zatím chybí dohoda všech účastnických zemí na lokalitě, kde budou nemalé částky (dnes již se mluví o nejméně 10 miliardách eur) investovány. Ve hře jsou dvě místa, jihofrancouzská Cadarache a Rokkasho v severním Japonsku. Za Evropany stojí Rusko a Čína, Japoncům fandí USA a Jižní Korea.
Představitelé Unie již dříve naznačili, že unikátní pokusné zařízení bude v Cadarache stát v nejhorším případě i bez japonské účasti: „Chceme zahájit stavbu na lokalitě Cadarache ještě v průběhu tohoto roku. Když uvážíme, že potřebujeme alespoň šest měsíců na přípravu, pak je zřejmé, že rozhodnutí musí padnout velmi brzy, “ prohlásil letos březnu evropský komisař pro vědu Janez Potocnik.
Pokud se všechny spory vyřeší a nenastanou další nepředvídané komplikace, mohl by se ITER rozeběhnout někdy kolem roku 2015. Pak budou následovat dlouhá léta ovařování nejrůznějších řešení a technologií, protože řízená termojaderná fůze je opravdu vstupem na dosud zcela neprobádané území. Teprve potom by měla následovat první skutečná elektrárna, byť stále ještě pouze experimentální. Toto zařízení je dnes označováno výmluvným názvem DEMO a mělo by mít výkon asi 1000 MW (jeden blok v Temelíně). Ani největší optimisté ale nevěří, že dodá energii před rokem 2050.
Vedle optimistů ale existují i termonukleární pesimisté. Ti poukazují mimo jiné i na to, že padesátiletá prognóza úspěchu je prakticky stejná jako v polovině 20. století, kdy se rovněž předpokládalo, že roku 2000 už bude mít lidstvo díky vodíku energetické trable za sebou.
Není všechno zlato…
Proti termonukleárním elektrárnám ale existují i konkrétnější argumenty. Některé z nich lze považovat za řešitelné – k tomu má sloužit právě ITER. Jde například o problémy s nestabilitou průběhu reakce, s průběžným vstřikováním paliva a odvodem produktů reakce. Kromě toho tu jsou ale také nevýhody spočívající v samotném principu. Především není pravdou často opakované tvrzení, že termonukleární reaktor je naprosto bezpečný a neprodukuje radioaktivitu – z tohoto hlediska se příliš neliší od dnešních štěpných reaktorů. A zůstávají i jejich další nevýhody (některé ovšem v ještě důraznější podobě): obrovská finanční náročnost, drahý provoz, nutnost devastace velkých ploch krajiny a podobně.
Zastánci této cesty tvrdí, že jiná možnost neexistuje, protože žádný jiný zdroj není schopen dlouhodobě pokrýt rostoucí potřeby populačně explodujícího lidstva. Není to ale tak docela pravda, objevují se například možnosti, že termojadernou fúzi bude možné realizovat i podstatně úspornějším a šetrnějším způsobem.
Potíže projektu ITER
Původní plány byly impozantní. Z rozpočtu 7 miliard eur mělo vzniknout monstrum vážící 80 tisíc tun (pro srovnání: největší bitevní lodě všech dob Yamato a Musashi měly každá výtlak „jen“ necelých 70 000 tun). Vnitřní objem reakční komory by činil 2000 metrů krychlových. Projekt se však zřejmě nezrodil pod šťastnou hvězdou, protože jej od počátku provázely potíže. Tou první bylo roku 1998 vycouvání USA, čímž vyschl i největší zdroj financí. Proto roku 2000 Mezinárodní atomová agentura v italském Sorrentu rozhodla ITER podržet nad vodou pouze v úsporné podobě. Hmotnost zařízení poklesla na polovinu, objem reakčního prostoru na třetinu, při rozpočtu „pouhé“ tři miliardy eur.
Později se sice USA k projektu opět vrátily a přibyly i další země, například Čína a Kanada, ani tím ale potíže neskončily. Přestože podle původních plánů se měl ITER rozběhnout už letos, stavba ještě ani nezačala. V poslední době jí brzdil zejména několikaletý spor o místo vybudování – a nedávno Spojené státy (které mají vlastní program s jinou strategií a navíc jim vadí vysoké náklady v kombinaci s neplodnými tahanicemi mezi účastníky) začaly opět váhat. Je třeba si uvědomit, že ITER je po Mezinárodní kosmické stanici druhý největší projekt lidstva – a že právě ve vesmíru USA nesly většinu nákladů, aniž by sklízely původně slibované plody.
Cadarache – místo, kde možná vznikne ITER
Výběr evropských lokalit, které by pro ITER přicházely v úvahu, měla na starosti Evropská technická studijní skupina EISS (European ITER Site Technical Study group). Kromě hledisek běžných při výběru místa pro jaderná zařízení posuzovala i sociální dopady projektu ve vybrané oblasti.
Cadarache leží v jižní Francii nedaleko Marseille mezi Provensálskými Alapami a Azurovým pobřežím. Navzdory přírodním krásám jsou v oblasti významná průmyslová a vědecká střediska. Od 60. let minulého století tu je centrum jaderného výzkumu řízené francouzskou komisí pro jadernou energii (CEA – Commissariat a l°Energie Atomique). Vyvíjely se zde mimo jiné i reaktory pro vojenské námořnictvo, probíhá výzkum a výroba palivových článků atd. Ve zdejším středisku jaderného výzkumu je zaměstnáno asi 4000 lidí.
