Ondřej Klimo: Potenciál získání energie z jaderné fúze je obrovský

National Ignition Facility (NIF), kde se podařilo 5. 12. 2022 zažehnout termojadernou fúzi pomocí laserového zařízení. Zdroj: Lawrence Livermore National Laboratory

Můžete, prosím, vysvětlit, v čem zmíněný úspěch spočívá a co je na tomto projektu tak přelomového?

Stručně řečeno, úspěch spočívá v zapálení termojaderné fúze pomocí laserového záření, o které se vědci snaží již více než půl století.

Co znamená zapálení konkrétně?

Jednoduchá a dosti výstižná definice zapálení říká, že energie uvolněná při fúzních reakcích musí být vyšší než energie dodaná pomocí laserového záření. K tomu právě v případě experimentu z 5. prosince 2022 nade vší pochybnost, a také poprvé v historii výzkumu kontrolované termojaderné fúze, došlo. Energetický výtěžek fúzních reakcí činil zhruba 1,5násobek energie laserového záření.

Z vědeckého hlediska je zapálení fúze spojeno s tzv. Lawsenovým kritériem. To se dá zjednodušeně formulovat tak, že tepelná energie uvolněná z fúze musí být dostatečně vysoká, aby překonala všechny fyzikální procesy, které palivo ochlazují.

V kontextu fúze zapálené pomocí laseru je nutné tuto mez překonat alespoň v malém objemu paliva, to se potom ohřívá a zapálí části další.

A to se podařilo poprvé?

Výše uvedenou definici zapálení již v podstatě splňoval výsledek experimentu, ke kterému došlo na laseru NIF 8. srpna 2021. Tento, již rok starý, výsledek ve vědecké komunitě vyvolal veliký zájem a nadšení, i když byl energetický výtěžek fúzních reakcí oproti současnému výsledku zhruba poloviční, neboť nedošlo k zapálení dostatečného množství paliva.

Dekáda zklamání i úspěchů

Výzkum už probíhá deset let, je to tak?

Ano. A to, o jak velký úspěch se v současnosti jedná, je dobře vidět z toho, když porovnáme současné výsledky s výsledky dosaženými v roce 2012, kdy byl laser NIF uveden plně do provozu a kdy se očekávalo zapálení fúze.

Tehdy byl energetický výtěžek 1000krát menší než energie použitého laserového záření, což vedlo k velkému zklamání a částečnému odklonu od výzkumu zapálení fúze pomocí laserů (několik velkých plánovaných projektů bylo zrušeno). Za 10 let výzkumu tedy došlo ke zlepšení výsledku o tři řády.

Takže se „blýská na lepší časy“?

I když jsem v tomto směru spíše optimista, extrapolovat tento trend do budoucna by byla velká spekulace a ani to v současné chvíli příliš nejde. V projektu laseru NIF se mluvilo o reálné možnosti dosáhnout na tomto zařízení energetického výtěžku 10, při kterém by došlo ke spálení zhruba 30 % veškerého paliva v terči.

Potenciál je obrovský

Jaký je potenciál nového amerického objevu? Jaké jsou v něm problémy či limity?

Potenciál získávání energie z fúze je samozřejmě obrovský a právě dosažený výsledek je na cestě k využití fúzní energie velmi významným milníkem, na který čekáme mnoho let. Na druhou stranu je třeba si připustit, že máme před sebou ještě celou řadu dalších problémů, které je nutné překonat, než budeme moci o využití fúzní energie získané pomocí laserů uvažovat.

O jaké konkrétní problémy se jedná?

První problém, který bude potřeba vyřešit, je další optimalizace zapálení terče tak, aby došlo ke spálení zhruba 30 % paliva. Pro současné terče na laseru NIF to znamená již zmíněné zvýšení energetického zisku na 10. To ale není konečná hodnota. Je třeba počítat s efektivitou výroby elektrické energie z tepla uvolněného při fúzi, a především s účinností, se kterou jsme schopni vytvářet laserové záření.

Efektivita je u laseru NIF relativně nízká, zhruba 1 % a spotřebuje tedy na jeden výstřel 300 MJ energie. Pro energetické využití je třeba využít jinou laserovou technologii (např. diodové čerpání), které umožňuje zvýšit účinnost až zhruba na 15 %. Diodově čerpané lasery již existují a jeden takový, který byl dokonce vyrobený přímo v laboratořích LLNL (jichž je laser NIF součástí), je provozován také v ČR v ELI Beamlines (součást ELI ERIC). I přes zvýšení účinnosti laserů však energetický výtěžek 10 nebude dostatečný a pro reálné získávání energie je třeba ho zvýšit zhruba na 100.

A druhý problém?

Dalším významným problémem bude opakování zapálení paliva několikrát za vteřinu. Termojaderná fúze, o které se zde bavíme, totiž není kontinuální proces. Jedná se o tzv. inerciální fúzi, kdy při každém zapálení dojde k uvolnění energie a zničení terčíku s palivem. Celý proces je nutné opakovat vždy s novým terčíkem. Pokud bychom chtěli dosáhnout ve fúzním reaktoru stejného tepelného výkonu jako v reaktoru Jaderné elektrárny Temelín (zhruba 3 GW) a počítali bychom s uvolněním zhruba 300 MJ energie z jednoho terčíku, bylo by potřeba zapálení opakovat desetkrát za vteřinu.

Moderní laserové technologie tuto opakovací frekvenci umožňují, ale takto rychlé opakování s sebou přináší jiné výzvy. Terčík s palivem je například nutné adjustovat uprostřed obrovské reaktorové nádoby, a to s velmi vysokou přesností.

V neposlední řadě by pro výrobu energie bylo potřeba zajistit dostatečnou a ekonomickou výrobu terčíků s palivem. Zde je třeba rozlišit mezi fúzí přímou a nepřímou. Při uspořádání pro nepřímou fúzi, jejíhož zapálení bylo nyní dosaženo na laseru NIF, laserové záření nedopadá přímo na terčík s palivem, ale na vnitřní stranu kovové (zlaté) trubičky, v jejímž středu je terčík s palivem umístěn. Na terčík tedy nedopadá samotné laserové záření, ale záření rentgenové, které je vybuzeno laserovým zářením dopadajícím na vnitřní povrch trubičky. Mezi nevýhody tohoto uspořádání patří složitější proces výroby terče a větší náročnost na použité materiály.

V případě fúze přímé, kdy laserové záření dopadá přímo na terčík, by byla výroba pravděpodobně méně složitá. Při zmíněné opakovací frekvenci výstřelů by bylo třeba zhruba milion terčíků denně.

Z výše uvedeného vyplývá, že je před výzkumníky ještě dlouhá cesta...

Je zřejmé, že na cestě k praktickému využití energie získané z fúze zapálené laserem je třeba udělat ještě řádový pokrok v několika oblastech, a to zde nejsou zmíněny všechny. Proto není překvapivé, že na tiskové konferenci ředitelka LLNL Kim Budil uvedla, že nás čeká ještě několik desetiletí výzkumu základních technologických problémů, než budeme v situaci, kdy bychom byli schopni postavit funkční elektrárnu.

Jaderná fúze jako zdroj energie budoucnosti

Bylo by možné laicky vysvětlit, proč je jaderná fúze tak ostře sledované téma?

Jaderná fúze je bezpochyby velmi zajímavým zdrojem energie, a to hned z několika hledisek. Zaprvé z hlediska potenciálu získání energie z jednoho kilogramu paliva nabízí fúze zdaleka nejvyšší hodnotu výrazně převyšující ostatní paliva včetně jaderných paliv využívajících štěpení jader (zde je rozdíl několikanásobný).

Především jde ale o dostupnost paliva pro jadernou fúzi. Při fúzi dochází ke slučování izotopů vodíku, deuteria a tritia. Deuterium se přirozeně vyskytuje ve vodě (zhruba 0,016 %) a je pro nás tedy k dispozici v podstatě v nevyčerpatelném množství. Druhý izotop, tritium, je nestabilní a postupně se radioaktivním rozpadem přeměňuje na izotop helia, ale pro fúzi se počítá s jeho produkcí přímo ve fúzním reaktoru pomocí určité jaderné reakce lithia. Dá se tedy říci, že k pokrytí energetických nároků bychom potřebovali mnohem méně paliva, které by se dalo relativně jednoduše získat a bylo by dostupné v podstatě kdekoliv na Zemi.

Mezi nesporné výhody v porovnání s jaderným štěpením patří také výrazně větší bezpečnost celého procesu a také fakt, že vyhořelé palivo nepředstavuje radioaktivní odpad.

Nejde o novinku, bádá se už celá léta

Jaký byl historický vývoj teoretických prací a experimentů zabývajících se jadernou fúzí?

Historie výzkumu jaderné fúze zapálené laserem by jistě vydala na celou knihu a dovolím si zde být stručný. Výzkum začal přibližně ve stejné době, kdy byl zkonstruován první laser a probíhal paralelně v různých částech světa.

Mnoho výsledků bylo zpočátku tajeno a i v pozdější době se publikovala jen některá data. K odtajnění velké části výzkumu nepřímé fúze v USA došlo až v roce 1988. V průběhu desetiletí vzniklo několik různých laserových systémů v různých laboratořích. Postupně se ukazovalo, že cesta k úspěšnému zážehu fúze bude velmi komplikovaná. Zásadní překážku představovala neexistence laserů s dostatečnou energií, která musí být v řádu MJ.

Další zásadní problém spočíval a stále spočívá v dostatečně symetrickém stlačení terčíku s palivem. Tento problém byl postupně redukován použitím většího množství laserových svazků a přechodem ke konceptu nepřímé fúze.

V neposlední řadě se ukázalo, že k efektivnímu stlačení a zapálení terče je třeba krátká vlnová délka laserového záření, a to některé typy laserů z dalšího výzkumu fúze diskvalifikovalo. Laser NIF je zhruba třetí generace laserů určených pro zapálení fúze v laboratořích LLNL (předchozí generace se jmenovaly SHIVA a NOVA).

Jak jste již zmínil – úspěch nestojí jen na laseru, ale také na vhodné konstrukci terčíku…

Vývoj terčíků s palivem probíhal ruku v ruce s vývojem laserových systémů. Dnešní terčíky jsou umístěny ve zlaté trubičce, mají povrch z uměle vyrobeného diamantu a palivo uvnitř je ve formě tenké vrstvičky ledu. Aby se led nerozpustil, je terč udržovaný při velmi nízké teplotě okolo – 255 stupňů Celsia.

Rozdíl mezi podobou terčíků z počátečního období výzkumu a dnešními realizacemi je obrovský.

Využívá výzkum jaderné fúze i počítačové modelování?

Přesně tak. Výpočty jsou mimořádně náročné, a proto byly počítačové kódy silně zjednodušovány, což se původně ukázalo jako nefunkční cesta. S vývojem na poli vědeckého počítání a dostupným výpočetním výkonem rostla i komplexnost počítačových modelů a v dnešní době už nejsou výjimkou ani třírozměrné simulace bez přílišných zjednodušení. To vědcům z laboratoří LLNL umožňuje superpočítač Sierra, který je šestý nejvýkonnější na světě.

Rovněž mnoho fyzikálních procesů nebylo v počátcích známo a jejich přesný popis, a hlavně vzájemné souvislosti nejsou v některých případech zcela známy dodnes.

Je realistické očekávat, že v horizontu deseti či dvaceti let můžeme očekávat jadernou fúzi jako nový zdroj energie?

Cesta k využití laserem zapálené fúze jako zdroje energie může být ještě dlouhá a praktické využití v horizontu deseti let vidím jako nereálné.

Kdybych chtěl být opravdu velmi optimistický a očekával, že se vše od této chvíle bude dařit podle plánů, horizont dvaceti let by nemusel být zcela nereálný. Minulé zkušenosti z výzkumu jaderné fúze mě ale nutí k předběžné opatrnosti, a proto bych raději žádný konkrétní termín neuváděl.

Výzkum jaderné fúze v ČR

Zapojují se do výzkumu jaderné fúze i v Česku působící výzkumníci?

Výzkum jaderné fúze v ČR je soustředěn především v Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR (ÚFP), který se zabývá fúzním výzkumem již přes 60 let a posledních 20 roků je zodpovědný za koordinaci fúzního výzkumu u nás v rámci evropského vědeckého konsorcia EUROfusion.

Na ÚFP probíhá intenzivní výzkum v oblasti magnetického udržení plazmatu, tzv. tokamaku. V současné době ÚFP buduje již třetí tokamak – COMPASS-U, který bude uveden do provozu v roce 2026. Tento tokamak představuje klíčové evropské zařízení pro vyřešení fyzikálních a technologických výzev spojených se stavbou fúzní elektrárny DEMO, jejíž provoz Evropa plánuje zahájit za cca 15 let.

Kromě aktivit v rámci evropského konsorcia EUROfusion spolupracuje ÚFP také intenzivně s ITER Organization či Ministerstvem energetiky USA.

Z hlediska laserového zapálení fúze jsou v ČR v současné době dvě důležité experimentální infrastruktury. Na ÚFP se také dlouhodobě věnují studiu různých konceptů zapálení laserové fúze na laserové infrastruktuře PALS, která je společným pracovištěm ÚFP a Fyzikálního ústavu AV ČR.

V nedávné době se pak začaly provádět první experimenty relevantní pro laserovou fúzi také v laserovém centrum ELI Beamlines. Pro výzkum fúze je zde k dispozici laser s parametry podobnými, jakých dosahuje laser PALS, avšak s vyšší frekvencí opakování výstřelů (zhruba jeden výstřel za minutu).

Účastní se výzkumu i další instituce a ústavy?

Výzkum se provádí také na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské (FJFI) a některých dalších fakultách ČVUT, na Matematicko-fyzikální fakultě UK a v Centru výzkumu Řež.

Jeden z absolventů FJFI je nyní dokonce zaměstnán v LLNL, kde se podílí na tvorbě počítačových modelů pro výzkum laserové fúze.

Na Fakultě elektrotechnické ČVUT se zaměřují na experimentální výzkum jaderné fúze, při kterém se ke stlačení a ohřátí látky používá velmi silný elektrický výboj.

Co o výzkumu jaderné fúze podle Vás veřejnost příliš netuší a měla by znát?

Většina veřejnosti asi netuší, že výzkum laserem zapálené jaderné fúze je z velké části financován z vojenského rozpočtu, a především výzkum v oblasti nepřímé fúze je stále do určité míry utajován.

Financování z vojenského rozpočtu souvisí i s využitím výsledků tohoto výzkumu na údržbu strategických jaderných zbraní. To bylo ostatně také zmíněno na tiskové konferenci, na které byl tento přelomový výsledek představen ředitelkou NNSA (National Nuclear Security Administration) Jill Hruby.

Autor: Vědavýzkum.cz (JT, MK) 

Ondřej Klimo

V letech 1998 až 2007 absolvoval magisterské a později doktorské studium na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské (FJFI) ČVUT v Praze. Po studiu byl na několika kratších stážích v zahraničí, především v laboratoři CELIA ve francouzském Bordeaux, kde začal ve spolupráci s prof. Tikhonchukem pracovat na teoretickém výzkumu týkajícím se inerciální fúze. V ČR dále působil a působí na FJFI, kde se podílí na výuce předmětů souvisejících s inerciální fúzí a počítačovou fyzikou. Od roku 2012 provádí výzkum také v laserovém centru ELI Beamlines (součásti ELI ERIC) v Dolních Břežanech, kde je členem týmu Oddělení fyziky a plazmatu interakcí s ultravysokou intenzitou.