Čistší i výkonnější než dnešní atomová elektrárna. Může jaderná fúze vyřešit světovou energetiku?

V branži je to už mnoho desetiletí starý (a ne zrovna veselý) vtip: Kdy se fúze stane realitou? Ať se zeptáte kdykoliv, odpovědí je vždy „Za třicet let.“ Princip pochopili vědci už před sto lety a poprvé fúzi - sloučení dvou atomů vodíku do jednoho atomu helia - provedl Mark Oliphant roku 1932.

Americká armáda proces zkoumala v tajném projektu Manhattan, jeho výsledkem byly nejen první atomové bomby, ale roku 1952 též první vodíková bomba, jejíž ohromnou explozi pohání právě jaderná fúze. Jenže zkrotit ji pro energetické účely je nesrovnatelně náročnější než v případě jaderného štěpení, které pohání Temelín a všechny ostatní atomové elektrárny, ponorky, ledoborce… Cíl však stojí za to: Fúze dostane z paliva skoro čtyřmilionkrát víc energie než chemické spalování a čtyřikrát víc než štěpení.

Spolupráce s Ruskem i Čínou

Lídrem výzkumu se stává budovaný ITER - Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor pod francouzskými Alpami. V idylické provensálské krajině ten areál docela kontrastuje - kovové baráky, dílny, samá technika, mezi tím pobíhají vědci a technici v holinách, helmách a reflexních vestách.

Členy projektu je celá EU a osm dalších mocností: USA, Jižní Korea, Indie, Japonsko, ale též Rusko a Čína. A další spolupracují na nižší úrovni. „Milion komponentů, deset milionů dílů... ITER bude největším a nejsilnějším fúzním zařízením na světě,“ stojí na jeho webu. Zařízení patří k nejdražším a největším mezinárodním vědeckým projektům světové historie.

Bílý lev pro Vladimíra Remka: První český kosmonaut mohl být i atomovým inženýrem

Atom se skládá z elektronového obalu a jádra, jež je tvořeno protony a neutrony. Při fúzi se dva atomy sloučí do jednoho většího - prostě se jádra srazí a už u sebe zůstanou. Aby nové jádro zůstalo stabilní, někdy (záleží na daném prvku, musí být relativně lehký) se zbaví neutronu - a při tom také určitého množství energie. A tu chtějí výzkumníci využít. Výsledné teplo už, stejně jako u jaderné či uhelné elektrárny, uvaří vodu, pára roztočí turbínu, generátor produkuje elektrický proud…

Energii uvolňování neutronů z jaderné přeměny už využívají stávající jaderné elektrárny, tak proč u ozkoušené praxe nezůstat?

Fúze versus štěpení

Namísto slučování dvou lehkých jader (v praxi to bude vodík) se při jaderném štěpení rozdělí jedno těžké. Fúze i štěpení se obecně může týkat všech prvků a izotopů; s různou velikostí jádra ale převládají jiné ze sil, kterými na sebe částice působí. U lehčích jader se při fúzi energie uvolní, u těžších je naopak potřeba energii dodat, aby se slučovala do ještě těžších. A pro štěpení to platí naopak. V praxi je pro fúzi příhodný vodík o jednom protonu a jednom či dvou neutronech, pro štěpení zase uranové jádro tvořené 92 protony a 143 neutrony.

Velkou nevýhodou jaderných elektráren je radioaktivita - paliva i jaderného odpadu. Pro fúzi by se používaly podstatně bezpečnější izotopy vodíku, odpadem je helium. „Když materiály správně vyberete, i v průmyslovém měřítku, můžete radioaktivitu při fúzi omezit na 100-200 let, což je udržitelnější než 40 tisíc let, o nichž se hovoří u štěpení,“ vysvětluje Akko Maas z ITER.

Palivo pro fúzi by se také mělo získávat celkem jednoduše. Izotop vodíku zvaný deuterium (jeden proton, jeden neutron) se najde v mořské vodě; tritium (jeden proton, dva neutrony) by se dalo vyrábět v blízkosti reaktoru z lithia.

Ve vývoji fúzního reaktoru je však ještě stále spousta nevyřešeného. „Technicky je obtížné dosáhnout udržitelné, stabilní fúzní reakce,“ vysvětluje generální ředitel ITER Pietro Barabaschi a dává přirovnání k zapalování polena: „Napřed zažehnete plamen, pak tím dřevo zahříváte, až najednou začne chemická reakce - a ta už stačí ke spálení celého polena,“ popsal reportérům DW.

Fúze probíhá v hvězdách včetně Slunce, z vodíku tam neustále vzniká helium. Tam reakci napomáhá ohromná gravitace. V pozemských podmínkách je potřeba vyšší teplota - asi 150 milionů stupňů Celsia, desetkrát vyšší než ve středu Slunce. Zní to děsivě, ale experimentálně to jaderní vědci zvládají. Stále však ono „poleno“ jen olizují plamenem sirky, pořád jim ještě nechytlo. Pořád musejí dodávat energii zvenku.

Černobyl ani Fukušima nehrozí

Dnešní jaderné elektrárny oproti tomu pracují v „příjemnějších“ teplotách, například Temelín okolo 300 °C. To ovšem proto, že se aktivně musí chladit, a to i dlouho po odstavení reaktoru. Výpadek chladicích systémů následkem vlny cunami byl příčinou havárie ve Fukušimě a stejné obavy jsou okolo Záporožské jaderné elektrárny, kterou ruští okupanti odstřihli od elektrické sítě - čerpadla pak musela pohánět elektřina z naftových generátorů. Když se jaderné palivo nechladí, dál probíhá jaderná reakce a tyče se mohou nebezpečně přehřát. Takto se přehřál Černobyl, palivo se protavilo reaktorem.

„U štěpení je riziko nehody výrazně vyšší, u fúze je opravdu nízké,“ ujišťuje šéf bezpečnosti v ITER Gilles Perrier. Pokud se fúzní reaktor naruší, samo to celý proces zastaví. „I v nejčernějším scénáři úniku plazmatu by se dopad omezil na samotný areál.“

Čeští vědci vytvářejí „čistější“ energii: Pracují na elektrárně budoucnosti

Dosavadním rekordem fúze je 59 megajoulů - před rokem toho dosáhl evropský reaktor JET v Británii, jak psal server Popular Mechanics. Fúzi udržel pět sekund, než by se přehřál, a energie by stačila malé žárovce na dva měsíce. JET je ovšem pionýrem pro větší ITER - bude desetkrát větší než největší ze stovky fúzních reaktorů, které už vědci vytvořili. Dostaví ho roku 2025, dalších deset let ho ale budou ladit a testovat - až na rok 2035 se však počítá s hlavními experimenty, totiž rozběhnutím fúze na několik minut.

Až se to podaří, budeme ve fázi hořícího polena, pokračuje v přirovnání Barabaschi. K praktickému využití tak bude daleko jako od polena k uhelné elektrárně. Problémy blízké budoucnosti fúze rozhodně nevyřeší, možná přijde - z hlediska hrozby změn klimatu - pozdě; přesto budou i další generace potřebovat spoustu energie, uzavírá ředitel. A časový odhad? V příštích třiceti letech…