Vladimír Wagner
V současné době vidíme významný pokrok ve výzkumu fúzního plazmatu. Řada nových nebo zásadně zmodernizovaných tokamaků vylepšuje rekordy v teplotě, hustotě a době udržení plazmatu. Pokračuje budování největšího vědeckého projektu, kterým je tokamak ITER. Existuje řada startupů, které pracují na realizaci velmi zajímavých koncepcí termojaderného zdroje. U některých se objevují prohlášení, že budou schopni fúzní elektrárnu realizovat už v nejbližších letech. Podívejme se, jak vypadá dnešní stav cesty k termojadernému reaktoru.
Energii z jaderných reakcí můžeme získat dvěma způsoby. Jedním je štěpení velmi těžkých jader a druhým fúze těch lehkých. Je to dáno průběhem závislosti velikosti vazebné energie na jeden nukleon s hmotností jádra, která nejdříve roste (až po železo) a pak začne klesat. Při slučování lehkých jader se tak uvolňuje jaderná energie. Energie vazby nukleonů v jádře je až zhruba o šest až sedm řádů vyšší, než je energie chemických vazeb uvolňovaná při hoření. Existuje několik fúzních reakcí, které lze využít v budoucích fúzních elektrárnách. Nejperspektivnější je slučování tritia a deuteria, které má maximum pravděpodobnosti reakce při nejnižší teplotě, která je však i pro ni okolo 150 milionů stupňů Celsia. Druhou v pořadí je pak slučování helia 3 a deuteria. Pro překonání odpudivých elektrických sil mezi jádry se využívá vysoká teplota, proto hovoříme o termojaderné fúzi.
Obr. Obří staveniště ITER v září 2023
Jak udržet fúzní plazma?
Pro realizaci termojaderné fúze umožňující získání energie je potřeba zajistit specifické podmínky. Aby energie uvolněná v termojaderné fúzi překročila hodnotu energie vloženou do vytvoření plazmatu, je nutné dosažení potřebné teploty pro danou využívanou reakci a překročení určité hodnoty součinu hustoty plazmatu a doby jeho udržení. Tato limita se označuje jako Lawsonovo kritérium.
Hovoříme o třech různých limitech. Prvním je vědecké vyrovnání, kdy ve fúzi vytvořená energie překročí hodnotu spotřebovanou na ohřev plazmatu. Zápalné vyrovnání se dosáhne, když nabité ionty vzniklé ve fúzi, které lze využít k ohřevu plazmatu, mají energii překračující hodnotu potřebnou k jeho ohřevu. O inženýrském vyrovnání pak mluvíme, jestliže energie produkovaná ve fúzních reakcích překročí hodnotu potřebnou pro provoz celé elektrárny.
Existují dvě možnosti realizace fúzního plazmatu a naplnění Lawsonova kritéria. Prvním je udržení pomoci magnetického pole. Zde je plazma drženo v magnetické pasti. Jeho hustota je malá a musí tak být dlouhá doba udržení, stovky až tisíce sekund. Nejdříve se aplikovaly pasti, které využívaly k udržení plazmatu magnetická zrcadla na svých koncích. Přes ně však docházelo k únikům plazmatu. Proto se přešlo k magnetickým pastem s objemem toroidního tvaru.
Existují dva typy toroidních magnetických nádob. Oba koncepty pocházejí z padesátých let. Prvním je tokamak, který se skládá z toroidní vakuové komory umístěné na transformátorovém jádru. Indukčně buzený elektrický proud vytváří magnetické pole, další magnetické pole vytvářejí magnetické cívky. Proud zároveň umožňuje ohřev plazmatu. Induktivní buzení proudu je možné pouze v pulsech, proto se nahrazuje neinduktivním. Tokamak se ukázal být velice efektivní a řadu desetiletí bylo toto zařízení v čele fúzního výzkumu.
Stellarator nepotřebuje proud v plazmatu pro vytváření magnetického pole, kvůli tomu však mají jeho magnetické cívky extrémně komplikovaný tvar. Jsou tak náročné na projektování i realizaci. Proto dlouhou dobu nedokázala tato zařízení konkurovat tokamakům. Teprve v tomto století pokročilo výpočetní modelování magnetů a jejich konstrukce natolik, že moderní stellaratory mohou soupeřit s tokamaky.
K ohřívání plazmatu v těchto zařízeních lze využít několik metod. V případě reálného fúzního reaktoru to bude dominantně část energie uvolněné ve fúzní reakci, kterou ponesou nabité částice. Neutrální neutrony z plazmatu vyletí a energii, kterou získaly, z něj odnesou. Další možností je už zmíněný ohmický ohřev indukovaný proudem v plazmatu. Využívá se také ohřev pomocí mikrovln o správné rezonanční frekvenci. Dodávání paliva může probíhat pomocí urychlených iontů, které jsou před proniknutím do plazmatu neutralizovány. V něm se ionizují a svou kinetickou energii mu pak předávají.
U magnetického udržení je nejdříve potřeba zkoumat způsoby udržení plazmatu, jeho ohřevu a stability. To je možné i bez realizace fúzních reakcí. Práce bez fúze je mnohem snadnější, vlivem intenzivního neutronového pole nevzniká radioaktivita. Dominantní část tokamaků a stellaratorů tak pracuje s plazmatem bez tritia.
Druhou možností je inerciální udržení, kdy dochází ke stlačení a ohřátí zmrzlé kuličky z deuteria a tritia pomocí laserových svazků. Hustota plazmatu v tomto případě překračuje řádově hustotu olova a doba udržení je v řádu desítek nanosekund. K extrémnímu stlačení a ohřátí musí být ozáření svazkem laseru co nejhomogennější. Celý proces, který probíhá ve velké vakuové nádobě připomíná mikroskopickou termojadernou bombu. V tomto případě se testy bez fúzní reakce nedají realizovat.
Obr. Společnost Proxima Fusion se sídlem v Mnichově a její partneři publikovali nový recenzovaný článek, který představuje Stellaris, první integrovaný koncept komerční fúzní elektrárny využívající stellarator na světě, která je navržena tak, aby fungovala spolehlivě a nepřetržitě. (Obrázek: Proxima Fusion)
Rekordy dosahované v případě magnetického udržení
Ve světě nyní existuje celá řada špičkových tokamaků a stellaratorů. U těch nejmodernějších jsou všechny magnety supravodivé. Na fúzní výzkum pomocí tokamaků se zaměřují Japonsko (tokamak JT-60) a Jižní Korea (KSTAR), které mají velmi omezené zdroje energie. Čína se snaží dostat na špici v téměř všech moderních technologiích, provozuje několik tokamaků Z nich nejznámější je EAST, který v nedávné době soutěžil o rekord v době udržení s francouzským tokamakem WEST. U obou se podařilo překročit 1000 s. Jiné tokamaky jsou držiteli rekordů v jiných parametrech. Často se liší i režimy důležité pro stabilitu plazmatu, ve kterých tokamaky pracují. Různá zařízení se zaměřují na různé parametry, někdy na úkor těch ostatních. To je důvod, proč se tak často objevují zprávy o rekordech různých tokamaků. V každém případě dochází v současné době k zásadnímu pokroku v našich znalostech.
Zlom nastal i u stellaratorů, hlavně díky nejmodernějšímu německému zařízení Wendelstein 7-X. Špičkové parametry, kterých v posledních letech dosáhl, se blíží těm u tokamaků. Pokud se postaví větší stellaratory, mohly by tokamaky i překonat.
Jak bylo zmíněno, jen velmi omezený počet tokamaků realizoval fúzní reakce. Nejvýznamnějším byl evropský JET v britském Culhamu, který byl v provozu mezi léty 1983 až 2023. První experimenty s tritiem realizoval v devadesátých letech, kdy se podařilo dosáhnout fúzního výkonu 16 MW při příkonu ohřevem 23 MW. Další experimenty s tritiem proběhly v roce 2021. Tehdy se zaměřily na prodloužení doby udržení a stabilnější průběh výstřelu. Fúzní výkon tak byl sice nižší (okolo 10 MW), ale realizoval se okolo 5 s, celková získaná energie byla okolo 59 MJ. Dosažení vědeckého vyrovnání bylo už blízko a získaná data jsou obrovským přínosem pro budoucí tokamak ITER.
Toto zařízení, které se buduje ve francouzské Cadarache patří mezi největší mezinárodní vědecké projekty současnosti. Fúzní výkon tokamaku ITER by měl být 500 MW a o řád by mělo být překročeno vědecké vyrovnání. Dosažená teplota by měla být optimální pro fúzi tritia a deuteria. Vnější průměr toroidální komory je 19,4 m a výška 11,4 m, objem plazmatu tak bude 840 m3. Intenzita magnetického pole je přes 5 T. Doba udržení by měla být větší než 300 s. Objem plazmatu je klíčový. Výsledky současných tokamaků a chování plazmatu škálující s jeho objemem zaručují, že ITER dosáhne předpokládaných parametrů.
V letošním roce došlo k revizi projektu. Rozhodlo se, že vnitřní stěny vakuové nádoby budou pokryty wolframem. Hlavně se však stanovily nové termíny dokončení zařízení. Posun v realizaci prvního plazmatu je téměř o deset let. Zároveň by však po něm mělo poměrně brzy dojít na využití směsi tritia a deuteria. Nedošlo by tak k plánované přestávce a úpravám, které se provedou už během současné instalace. Zpoždění experimentů s tritiem by tak mělo být jen o několik let. Sestavování tokamaku a jeho dokončování má probíhat do roku 2033. V letech 2034 až 2035 by se mělo realizovat první plazma. Experimenty s tritiem mají být zahájeny v roce 2039.
Ani ITER nebude fúzní elektrárnou. Bude mu chybět konverze tepelné energie na elektřinu, a hlavně produkce tritia. Na základě zkušeností z provozu současných tokamaků a také ITERu by se měly teprve budovat prototypové termojaderné elektrárny označované jako DEMO.
Obr.Instalace druhé sady Hallových senzorů magnetického pole, vyvinutých v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, na termonukleárním reaktoru ITER byla úspěšně dokončena. Tyto senzory s citlivou vrstvou na bázi antimonu jsou navrženy pro provoz za vysokých teplot a intenzivního neutronového záření. Jejich vývoj je výsledkem široké spolupráce odborníků z Ústavu filmového průmyslu AV ČR, organizace ITER, Západočeské univerzity v Plzni, společností ELCREAM, HVM Plasma, MIFRE ENERGY, Výzkumného centra Řež a Fyzikálního ústavu AV ČR, s podporou programu strategie AV21. (Zdroj: ÚFP)
Rekordy v případě inerciálního udržení
Špičkovým zařízením pro inerciální udržení plazmatu je americký NIF. Zařízení uvedené do provozu v roce 2009 mělo ukázat, zda je možné dosáhnout Lawsonova kritéria v případě inerciálního udržení.
NIF se skládá ze tří základních částí. První je laserová hala, druhou rozvodna a třetí vakuové nádoba, uvnitř které dochází k mikroskopické termojaderné explozi. Vakuová terčová nádoba je z 10 cm tlustého hliníku a má průměr deset metrů. Uvnitř komory je umístěn precizní polohovací systém, který drží terč obsahující zmrzlou směs deuteria a tritia.
V laserové části se využívá infračervený neodymový laser. Vše začíná slabým laserovým pulsem v hlavním oscilátoru. Tento puls se rozdělí a o mnoho řádů zesílí. Dohromady se získá 192 svazků, které se před zaměřením na terč konvertují z infračervené oblasti spektra do ultrafialové.
Zde se až do roku 2021 zdálo, že ani dosažení vědeckého vyrovnání nebude na tomto zařízení možné. Pak však nastal zlom, kdy se u výstřelu 8. srpna 2021 podařilo ve fúzních reakcích uvolnit 1,3 MJ energie, což bylo téměř tolik, kolik laserové svazky dopravily na terč.
Průlom byl umožněn několika vylepšeními. Zásadním bylo zlepšení homogenity a izotropie ozáření malé kuličky s palivem. Toho se docílilo jejím umístěním do zlaté nádobky, označované jako hohlraum. Ta se ozařováním ultrafialovými laserovými paprsky rozpálí na velmi vysokou teplotu a vyzařuje rentgenovské záření, které extrémně izotropně ozáří kuličku s palivem. Zároveň se podařilo vyladit konstrukci a složení kapsle s palivem a její co nejpřesnější polohování.
Při výstřelu nyní laser produkuje zhruba svazek s energií 4 MJ, po konverzi na ultrafialový svazek zůstávají 2 MJ, rentgenovské záření dopadající na kapsli má pouhých 250 kJ a do paliva se dostane pouze 20 kJ.
V následujících letech se podařilo úspěšné výstřely opakovat, a dokonce i zlepšovat jejich parametry. Rekordní výstřel je nyní z 7. dubna 2025, kdy měl ultrafialový paprsek energii 2 MJ a fúzní reakce vyprodukovaly 8 MJ. Došlo tak překročení vědeckého i zápalného vyrovnání.
Přesto je inerciální udržení stále mnohem dále od realizace termojaderné elektrárny než magnetické. Pro realizaci výstřelu musí laser nashromáždit energii 200 MJ. Současné zařízení střílí tak jednou za den, zatímco reálná elektrárna potřebuje až desítky výstřelů za sekundu. Konstrukce kapsle s palivem i hohlraum je energeticky velmi náročná.
Fúzní startupy, co slibují?
V současnosti existuje řada startupů, které se zaměřují na jadernou fúzi. Řada z nich inzeruje, že by chtěla již brzy realizovat termojadernou elektrárnu. Většinou se orientují na exotičtější metody udržení plazmatu, které jsou mezi magnetickým a inerciálním udržením. Někdy také plánují využívat exotické reakce, jako je slučování vodíku s bórem 11. V řadě případů jde spíše o past na investory. Některé však jsou perspektivní, i když jejich sliby jsou hodně nadnesené. Přispívají k našemu poznání chování plazmatu a možností jeho udržení. Není také vyloučeno, že se některému z nich podaří i dramatický technologický průlom a cestu k termojaderné elektrárně zrychlí.
_70828.jpg)
Obr. Smart tokamak Univerzity v Seville
Synergie mezi fúzní a štěpnou jadernou energetikou
Mezi fúzní a štěpnou energetikou existuje velmi silná synergie. Při reakci deuteronu a tritonu se uvolňuje neutron. Stěna vakuové nádoby a další zařízení jsou tak vystaveny velmi intenzivnímu toku neutronů. Ten je ještě intenzivnější, než je tomu u štěpných jaderných reaktorů. Stejně jako u pokročilých štěpných jaderných technologií, jako jsou rychlé reaktory a urychlovačem řízené transmutory, i u fúze jde navíc o neutrony s relativně vysokými energiemi. Podobně jako u štěpných reaktorů se v materiálech konstrukce v reakcích neutronů produkují radioaktivní nuklidy. Je tak třeba počítat i s relativně dlouhodobou radioaktivitou.
Zajímavé propojení fúzní a štěpné energetiky je nutnost produkce tritia, jako paliva pro fúzní reaktor. Tritium by se mělo vyrábět v reakcích neutronů s lithiem. Na jedno vyprodukované jádro tritia potřebujeme jeden neutron. Zároveň se v jedné fúzní reakci tritonu a deuteronu vyprodukuje jeden neutron. Bude tak potřeba využívat množení neutronů. K tomu však je ideální využití štěpných reakcí, ve kterých se produkuje několik neutronů na jedno štěpení. V blanketu fúzního reaktoru by kromě lithia mohly být i transurany z vyhořelého paliva z klasických štěpných reaktorů. Fúzní elektrárna by se tak využila i při spalování jaderného odpadu ze štěpné energetiky. U hybridního systému se tím však ztrácí výhoda neexistence transuranů u fúzní energetiky.
Výzkum v řadě oblastí důležitých i pro fúzní technologie realizují instituce zaměřené i na štěpnou energetiku. Podobné technologie, jako u štěpných jaderných elektráren, budou využívány pro chlazení i konverzi tepelné energie na elektrickou i u těch fúzních. Je vysoce pravděpodobné, že i fúzní reaktor a elektrárnu budou budovat stejné firmy, které dnes realizují štěpné reaktory a elektrárny. Plně využijí znalosti, které pří práci na jaderných štěpných zdrojích během předchozích desetiletí získaly. 
Obr. Britská společnost Tokamak Energy uvádí, že počítačový software digitálního dvojčete s fúzním strojem ST 40 znamená, že bude schopen maximalizovat dopad každého experimentu, aniž by bylo nutné testovat více scénářů na fyzickém stroji. (Zdroj: WNN)
Česko a fúze
Česko má ve fúzním výzkumu dlouholetou tradici. Prvním tokamakem, který začal Ústav fyziky plazmatu AV ČR využívat pod názvem CASTOR v září 1977, bylo zařízení TM_1_MH z Ústavu atomové energie I. V. Kurčatova darované Sovětským svazem. V roce 2008 jej nahradil věší tokamak COMPASS, který pracoval v devadesátých letech v britské laboratoři v Culhamu. Tokamak CASTOR od té doby slouží studentům FJFI ČVUT jako školní zařízení. Studenti této vysoké školy tak mohou využívat pro své studium fúzní tokamak i dva štěpné systémy. Prvním je reaktor Vrabec a druhým nový podkritický soubor.
Výhodu tokamaku COMPASS bylo, že je stejného typu, jako je budované zařízení ITER. Jen objem zkoumaného plazmatu je zhruba o řád menší. Jednalo se tak o velmi dobrý nástroj pro přípravu na práci s tokamakem ITER. Provoz tohoto tokamaku byl ukončen v roce 2021 a v současné době se buduje nový velmi moderní tokamak COMPASS-U. Ten by měl zajistit českému fúzním výzkumu udržení špičkové pozice. Česká skupina i její vedoucí osobnost, Radomír Pánek, mají významnou pozici v rámci projektu ITER.
V České republice je řada dalších laboratoří, které pracují v oblastech souvisejících s budoucími fúzními reaktory. Zmiňme alespoň některé z nich. Na Fakultě elektrotechnické ČVUT provozují fúzní zařízení typu Z-pinče. Laboratoře PALS a ELI Beamlines se zaměřují na laserovou fyziku. Pracují s těmi nejvýkonnějšími lasery ve světovém kontextu. V Ústavu jaderné fyziky AV ČR jsou v provozu zdroje neutronů, které zkoumají reakce neutronů s energií těch fúzních s různými předpokládanými konstrukčními materiály.
Velmi dobrá pozice Česka v oblasti výzkumu fúze a silná pozice jejího jaderného průmyslu vedla k tomu, že se vážně uvažuje o tom, že by se evropská demonstrační fúzní elektrárna DEMO mohla realizovat právě v České republice.
Kdy budou první komerční termojaderné elektrárny?
Na závěr se pokusme předpovědět, kdy se začnou využívat první termojaderné elektrárny. Bude to ovlivněno tím, jestli vše půjde „evoluční“ cestou nebo se podaří realizovat technologický průlom v klíčových technologiích.
Evoluční rozvoj je spojen s realizací tokamaku ITER a s postupným vylepšování tokamaků a stellaratorů i potřebných technologií. Budou se vylepšovat materiály odolné vůči intenzivní radiaci a velmi vysokým teplotám. Dále se vylepšují potenciální možnosti konverze lithia v tritium a přeměny kinetické energie neutronů v teplo a následně v elektřinu. Jak už bylo zmíněno, ITER by se měl rozběhnout v třicátých letech a důležité zkušenosti s fúzními reakcemi získáme spíše až v letech čtyřicátých. Demonstrační elektrárny DEMO se tak nezačnou budovat dříve než ve čtyřicátých letech. Teprve dostatek zkušeností s jejich provozováním pak umožní firmám, které nyní realizují štěpné jaderné reaktory, připravit konkurenceschopné termojaderné elektrárny. Ty se tak objeví teprve v druhé polovině tohoto století.
Pokud se podaří realizovat dramatický technologický průlom, mohly by se však termojaderné reaktory objevit i mnohem dříve. Mohlo by se třeba jednat o posun ve výzkumu vysokoteplotní supravodivosti, který by umožnil realizovat supravodivé magnety s velmi vysokou magnetickou indukcí. Průlom by mohl přinést i některý ze zmiňovaných startupů. Další možností je zlom v konstrukci kompaktních, efektivních a velmi výkonných laserů a kompaktních urychlovačů na jejich bázi.
V případě dramatického zlomu v klíčových technologiích by pak mohla být termojaderná elektrárna i velmi brzy. Je však třeba mít na paměti, že zatímco v případě evolučního vývoje je téměř jisté, že v druhé polovině století termojaderná elektrárna bude, technologický průlom nastat může ale nemusí, nelze tak na něj spoléhat.
Zdroj: časopis CzechIndustry 3/2025
