Energetický experiment jménem ITER, který může změnit svět

S velkou pravděpodobností není reálné, aby větrné nebo solární elektrárny pokryly sto procent světové energetické spotřeby, proto je třeba mít ještě nějakou zálohu. Dnes skoro pětinu elektrické energie generují jaderné elektrárny, a jaderná energie je tak největším zdrojem energie na světě, který po sobě nezanechává uhlíkovou stopu. Existují přitom dva způsoby, jak ji vyrábět. Aktuálně to je štěpná jaderná reakce, při níž, jednoduše řečeno, dochází k rozbití jádra atomu, což uvolňuje energii. Druhou možností je jaderná fúze, u které naopak dochází ke slučování atomových jader, přičemž tato reakce uvolňuje energii. Na princip jaderné fúze se přišlo už v padesátých letech minulého století a v posledních letech se ji snažíme „znovuobjevit".

Jedním z nejambicióznějších projektů, který se o to pokouší, se jmenuje ITER. V roce 2007 se v něm spojilo 35 států, aby na jihu Francie v Saint Paul-lez-Durance postavili největší termonukleární experimentální reaktor na světě. A ten je založený na stejném principu, který pohání Slunce a hvězdy.

Kdyby tento mezinárodní projekt uspěl, šlo by o jeden z nejdůležitějších vědeckých výsledků lidstva. Umožnil by totiž realizovat kontrolovanou jadernou fúzi, tedy reakci, díky které bychom měli být schopni produkovat obrovské množství energie na dalších několik tisíc let.

Abychom se o projektu dověděli víc, promluvili jsme si s docentem Janem Mlynářem, vědeckým pracovníkem z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Kromě výzkumu fúze v Česku se věnoval i zpracovávaní dat ze švýcarského tokamaku TCV, evropského JET a tomografii plazmatu. Předtím dva roky pracoval v ČEZu v oblasti vztahů s veřejností, později dostal příležitost pracovat čtyři roky v mezinárodním koordinačním týmu na tokamaku JET. Dnes se na Ústavu fyziky plazmatu AV ČR věnuje nově instalovanému tokamaku COMPASS. V rozhovoru se dočtete o pozadí projektu ITER, co mu předcházelo, jakou představuje vědeckou a technickou výzvu, jaká jsou potenciální rizika a co všechno bychom ovládnutím jaderné fúze mohli získat.

Kde se vzala myšlenka ovládnout jadernou fúzi?
Jan Mlynář: První správná hypotéza, jak Slunce funguje, se datuje do roku 1920. Tehdy člověk konečně pochopil Slunce, o kterém víme, že vytrvale funguje už miliardy let a zároveň je nejsilnějším zdrojem energie na Zemi, v podstatě pohání vše živé. Časem vyvstala otázka, jestli bychom fúzi, tedy proces probíhající ve Slunci, mohli nějak zužitkovat i pro dobro lidstva. A od konce druhé světové války se lidé snaží dosáhnout takových podmínek, jako jsou ve Slunci, abychom reakce, které v něm uvolňují energii, mohli napodobit i na Zemi. K tomu je především třeba dosáhnout velmi vysoké teploty, řádově minimálně několik desítek miliónů stupňů.

Jaké byly největší mezníky ve vývoji této technologie?
Takovým nepříjemným mezníkem, kdy už se člověku podařilo uvolnit takovou energii, je vodíková bomba. Znamená to, že tu reakci dokážeme technicky realizovat, ale ve velkém a nezvladatelném množství, kdy vysoká teplota potřebná k těm procesům je vyrobena štěpnou uranovou bombou. Experimenty, jak to udělat v malém, užitečném a bezpečném množství s malým množstvím vodíku, stále pokračují, ale je u nich náročné dosáhnout tak vysoké teploty.

Hlavní a dnes nejslibnější myšlenkou, na jejímž principu funguje právě ITER, je udržování horkého a velmi řídkého plynu, který levituje v magnetickém poli. Aby mohl být tak horký, vznáší se ve vzduchoprázdnu v nádobě, která je vnořená do mohutného magnetického pole. Když plyn dosáhne velmi vysoké teploty, říkáme mu plazma, a to je plyn tvořený nabitými částicemi, které na sebe silou působí na dálku. Už někdy od roku 1970 víme, že pokud chceme uvažovat o zdroji energie z plazmatu pomocí jaderné fúze, tak to musí být hodně velký experiment. Potřebujeme, aby plyn měl několik krychlových metrů, které budou mít stovky miliónů stupňů, jinak tam bude málo částic na to, aby probíhal dostatečný počet reakcí. Ve výsledku je na to potřeba asi 40 metrů velký reaktor, což je dost nákladné postavit.

Kdy se poprvé objevila myšlenka založit mezinárodní projekt ITER?
Poprvé se myšlenka založit ITER objevila v roce 1985, kdy se po mnoha letech setkali nejvyšší představitelé Spojených států a Sovětského svazu, Reagan a Gorbačov. Tehdy se poprvé velmoci bavily o tom, že by společně mohly vybudovat 40 metrů velký fúzní reaktor, který později pojmenovali ITER. Dlouho trvalo, než se projekt připravil, mezitím došlo k rozpadu Sovětského svazu a samotné Rusko nemělo dostatek finančních prostředků. Zájem postupně převzalo Evropské společenství a Japonsko a až v roce 1998 byl projekt konečně předložen ke schválení. Pak přišlo rozhodnutí, že projekt je příliš nákladný. Bylo třeba ho zredukovat z podoby první skutečné elektrárny víceméně na první reaktor, který bude schopný generovat velké množství tepla, ale ještě nebude fungovat jako elektrárna. A to už je ten dnešní ITER. Jeho velikost byla zmenšená ze 40 metrů na zhruba 30 metrů. Ke zmenšenému projektu, kde se bude uvolňovat asi 600 MW tepla, což odpovídá menší uhelné elektrárně, přistoupila Čína, Jižní Korea a později i Indie, čímž vzniklo společenství ITER.

Jaké výhody mají členové ITER a co jim partnerství zaručuje?
Zaručuje jim to, že budou pro ITER dodávat komponenty, což mnoho zemí uvítalo – motivuje to průmysl vytvářet špičkové technologie a zároveň mají státy přístup k veškerému know-how. Zatím to ale vypadá tak, že první elektrárnu si dle současných představ postaví každý z partnerů sám.

Na jak dlouho by energie získaná fúzí měla lidstvu vystačit?
Z hlediska trvání lidstva je tato energie nevyčerpatelná. Nakonec samozřejmě i Slunce vyhasne, ale to jsme v řádu miliard let, a tak dlouho náš rod určitě nebude trvat, i kdybychom byli optimisti. To spíš můžeme doufat, že nějaký život bude pokračovat i v další formě.

Jaké jsou největší překážky v realizaci funkčního fúzního reaktoru?
Vybudování fúzní elektrárny je na samé hranici našich technických schopností. Teprve na ITERu se bude průmysl učit, jaké materiály je možné použít. Musíme tam začít u těch nejjednodušších reakcí, které produkují velké množství rychlých neutronů. To je úplně nová výzva pro jaderné technologie, ale zároveň to znamená, že se neprodukují žádné trvalé radioaktivní transurany, jak je tomu u štěpných elektráren – díky tomu pak nevzniká dlouhodobě a vysoce radioaktivní odpad.

Jaké procento odpadu se produkuje v porovnání s jadernými elektrárnami?
V případě fúzních elektráren se produkuje jen hélium, což je velmi bezpečný produkt, a rychlé neutrony, které jsou zachyceny už v reaktoru a zastaví se. Některé z nich při zastavení mohou vytvořit sekundární radioaktivitu, což znamená, že reaktor po provozu zůstane mírně radioaktivní. Ale vědecko-technické zadání je, aby materiály použité pro výstavbu reaktoru zajistily, že po stech letech po ukončení provozu reaktoru jeho radioaktivita klesne na zcela bezpečnou úroveň.

Ta nejjednodušší fúze, kterou se snažíme teď zvládnout, by se dala přirovnat k tomu, když lidstvo sledovalo ptáky a chtělo také létat. Nejdříve začalo vyrábět balony. Jsme zhruba v tomto stádiu, není to definitivní řešení. Tím budou až složitější fúzní reakce, které potřebují vyšší teploty a ještě lepší schopnost udržet teplo.

Dá se tedy předpokládat, že jaderná fúze jednou dokáže pokrýt celosvětovou spotřebu energie?
Hodně lidí si dnes myslí, že nemusíme řešit energetiku, protože budoucnost je v obnovitelných zdrojích. Najdete ale i mezi námi lidi, kteří věří, že až se vyřeší jaderná fúze, budou solární články k ničemu. Já myslím, že nakonec to bude někde mezi. Pro řídké osídlení, pro vesnice, pro život v přírodě budou stoprocentně stačit obnovitelné zdroje, ale pořád tady budou velká průmyslová centra, kde lidstvo bude vyrábět železo, dolovat materiály, možná budeme chtít přivážet materiály z vesmíru… A k tomu všemu bude potřeba velké množství energie, které nám obnovitelné zdroje nedají.

Jedinou variantou k jaderným zdrojům by ideálně byly pokročilé fúzní reakce. Velké reaktory se hodí jen tam, kde je velký a energeticky náročný průmysl a kde žije hodně lidí. Je totiž jen velmi málo pravděpodobné, že by bylo možné vytvořit malé reaktory.

Jaká by byla životnost takových reaktorů?
Zatím se předpokládá nejméně 20 let, ale spíš by to mělo být 30 a více. Je to pro nás samotné vlastně otázka. Moc o tom teď nevíme a jsou kolem toho velké diskuze. Diskutovat ale moc nemá cenu, prostě se to musí zkusit.

Dá se říct, že až přijde doba jaderné fúze, tak se tím zcela vytratí produkce fosilních paliv?
To je asi hlavní finanční motivace. My samozřejmě máme i motivaci vědeckou, je to nový a vzrušující problém. Očekává se spousta vědeckých a technologických novinek. Z hlediska financování se hlavní naděje vkládají do toho, že fúze by nás mohla spolu s rozvojem obnovitelných zdrojů vymanit na závislosti na fosilních palivech. 80 procent energie dnes využíváme z fosilních zdrojů, což je vlastně primitivní pálení ohňů. A od toho už by bylo načase postoupit někam dál.

Kam?
Mnoho lidí tvrdí, že investice do obnovitelných zdrojů a fúze zároveň jsou extrémně vysoké. Ale jen do vývoje automobilů dnes investujeme asi 4krát víc něž do celého vývoje energetiky, včetně výzkumu obnovitelných zdrojů a včetně výzkumu čištění uhelných zdrojů. Ten důvod je každému jasný – kdyby automobilky přestaly vyvíjet, za 4 roky budou pryč z trhu. Zato když energetická společnost nevyvíjí nic, za 4 roky může stále na trhu bez problémů působit.

Dlouhodobý výzkum neumíme moc dobře financovat, ale že by na to peníze nebyly, to není pravda. Když se vrátím k vodíkové bombě, v podstatě jediný, kdo zveřejnil, kolik stál její vývoj, byly Spojené státy americké, a ta částka je naprosto neuvěřitelná, za to by se postavilo ITERů sto. Když je nutnost, peníze se určitě najdou.

Jaká jsou bezpečnostní rizika vybudování fúzních reaktorů a elektráren?
To je důležitá otázka. Když mluvíme o fúzi v magnetickém poli, tak podle mě to může fungovat jen ve velkém měřítku, protože plazma musí být dostatečně řídké, milionkrát řidší než vzduch. Kdyby zařízení nebylo dost velké, nedojde v něm k dostatečnému počtu reakcí. Výhoda toho však je, že z tepelného hlediska je zařízení bezpečné, protože i když ztratíme nad plazmatem kontrolu, tak se okamžitě dotkne stěny a vychladne, reakce pak přestanou probíhat a přestane se uvolňovat energie. Tím, že je to plazma tak řídké a nemá velkou hustotu, není schopné způsobit velkou škodu.

V Praze máme toto zařízení desetkrát zmenšené a zkoušíme tady mimo jiné právě hraniční, krizové situace. Technicky by největším rizikem bylo, kdyby selhal systém chlazení. Pokud by však chladící systém nějakým způsobem selhal, tak na rozdíl od jaderných elektráren je v těch fúzních jen velmi malé množství paliva. Jaderná fúze je reakce hoření, což znamená, že stačí, když budeme průběžně přivádět do reakce jenom tolik paliva, kolik zrovna shořelo, podobně jako tomu je na plynových sporácích. Kdyby ve fúzní elektrárně došlo k narušení chladicího systému, musela by následovat náročná technická oprava a odstavení elektrárny by určitě bylo na nějaký čas. Ale neexistují tam vysoce aktivní látky, takže by v tomto případě nebyla potřeba evakuaci lidí z okolí.

Jaké další potenciální využití vidíte u jaderné fúze? Je třeba zajímavá pro zbrojařský průmysl nebo pro cestování ve vesmíru?
Zájem ve zbrojařském průmyslu je minimální. Od roku 1958 náš výzkum vůbec nepodléhá utajení. V zařízení typu tokamak, jako je ITER, ve kterém se snažíme udržet horké plazma v magnetickém poli, vojáky vůbec nezajímá. Existují ale práce, které upozorňují na to, že kdyby se z toho skutečně stal energetický komplex, kde by bylo velké množství elektráren, že by to mohlo začít armádu zajímat, protože by se tam pracovalo s významným množstvím tritia, které je přeci jen strategickým materiálem. Nezajímá je to ale ani z hlediska zbrojení, ani jako energetický zdroj, na rozdíl od štěpné reakce, protože zatím ani nevíme, jak postavit malý fúzní reaktor, např. pro ponorku.

A co třeba cestování vesmírem?
Druhé potenciální využití je právě pro cestování ve vesmíru, což není vůbec sci-fi, protože můžete například najít, že třeba NASA sledovala vývoj fúze z hlediska možného použití pro rakety. Tam je evidentní, že dokud budeme používat jenom chemii, to znamená jenom hoření, tak se člověk určitě dál než na Mars nedostane. Raketa s palivem je prostě moc těžká. Pro rakety na fúzi stačí statisíckrát míň paliva, proto potom budeme moci uvažovat o skutečně velkých kosmických výpravách. V tomto století nám jde ale hlavně o výrobu energie. Až tu reakci zvládneme, mohou se třeba začít stavět fúzní raketové motory.