Energie jako ze Slunce. Proč na revoluční jadernou fúzi stále čekáme? Odpovídá vědec z Plzně

Vyrábět elektřinu stejným způsobem, jakým vzniká energie uvnitř Slunce. Představa, která ještě před několika desetiletími připomínala spíše vědeckou fantastiku, se postupně přibližuje realitě. Jaderná fúze by v budoucnu mohla nabídnout stabilní a nízkoemisní zdroj energie nezávislý na počasí. Přesto na první elektrárny stále čekáme. Vědci totiž musí překonat řadu technických překážek, než bude možné tuto technologii využívat v běžné energetice.

Proč je cesta k fúzním elektrárnám tak složitá, vysvětlil v rozhovoru pro zpravodajský portál Západočeské univerzity přední český odborník na fúzní technologie Slavomír Entler. Vědec z Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR nově posílil také Fakultu elektrotechnickou Západočeské univerzity v Plzni.

Teplota 150 milionů stupňů. Takové podmínky potřebuje energie budoucnosti

Princip jaderné fúze je zdánlivě jednoduchý. Při slučování lehkých atomových jader vzniká nové jádro a uvolňuje se obrovské množství energie. Stejný proces probíhá ve Slunci a dalších hvězdách.

Na Zemi je však jeho napodobení mimořádně náročné. Aby bylo možné fúzní reakci účinně využívat, musí vědci palivo zahřát přibližně na 150 milionů stupňů Celsia. Při takové teplotě se hmota nachází ve stavu plazmatu, které nelze jednoduše uzavřít do běžné nádoby.

Jedním z řešení je využití silných magnetických polí, která dokážou extrémně horké plazma udržovat oddělené od stěn reaktoru. Právě na tomto principu pracují zařízení označovaná jako tokamaky.

Fúze je pro energetiku mimořádně zajímavá také tím, že z velmi malého množství paliva dokáže uvolnit obrovské množství energie. Podle Entlera může být energetický výtěžek fúzního paliva až stokrát vyšší než u stejného množství paliva v současných jaderných elektrárnách.

Samotnou fúzi už vědci zvládají. Problém je udržet ji dlouhodobě

Přestože výzkum v posledních desetiletích výrazně pokročil, k běžnému využívání fúzní energie zbývá překonat několik zásadních překážek. Podle Entlera už dnes není největším problémem samotné spuštění fúzní reakce, ale především její dlouhodobé a spolehlivé udržení.

Vědci musí zajistit stabilitu extrémně horkého plazmatu, vyvinout materiály odolávající vysokému tepelnému i radiačnímu zatížení a zvládnout technologie potřebné pro nepřetržitý provoz elektrárny.

Výsledné zařízení přitom musí být také energeticky efektivní. Nestačí pouze dosáhnout fúzní reakce a uvolnit při ní energii. Budoucí elektrárna musí nakonec vyrobit více elektřiny, než kolik sama spotřebuje na svůj provoz.

Právě spojení těchto požadavků představuje jeden z nejtěžších technických úkolů současného energetického výzkumu.

První elektřina z fúze? Vědci míří k polovině století

Jedním z nejvýznamnějších mezinárodních projektů je experimentální reaktor ITER, který vzniká na jihu Francie. Jeho cílem je prokázat, že lze fúzní energii využívat ve velkém měřítku a získat zkušenosti potřebné pro stavbu budoucích elektráren.

ITER však sám elektřinu do veřejné sítě dodávat nebude. Je především rozsáhlým vědeckým experimentem, na který mají navázat demonstrační a pilotní fúzní elektrárny.

Podle současného harmonogramu projektu se zahájení výzkumného provozu ITER předpokládá v roce 2034 a experimenty s deuteriem a tritiem mají začít v roce 2039. Termíny se však již v minulosti několikrát posouvaly.

„Cílem fúzního výzkumu je demonstrační výroba elektřiny z fúze kolem poloviny tohoto století.“

Slavomír Entler, odborník na fúzní technologie

Zda se tento cíl podaří splnit, bude podle Entlera záviset nejen na technologickém pokroku, ale také na dostatečném financování projektů demonstračních a pilotních elektráren.

Česko má ve fúzním výzkumu významné postavení

Do vývoje technologií pro budoucí fúzní elektrárny se aktivně zapojují také čeští vědci. Jedním z klíčových pracovišť je Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR, kde vzniká nový tokamak COMPASS-U.

Zařízení umožní studovat chování plazmatu v podmínkách, které se budou blížit prostředí budoucích energetických reaktorů. Důležitou součástí projektu je vývoj a instalace technologického vybavení, včetně napájecích systémů nezbytných pro provoz tokamaku.

Podle informací Ústavu fyziky plazmatu již byla zahájena instalace napájecí části zařízení, která představuje jednu z významných etap jeho výstavby.

Čeští odborníci se zároveň podílejí na vývoji technologií pro mezinárodní projekt ITER a na přípravě budoucích demonstračních elektráren.

Výzkum přitom dávno není pouze záležitostí jaderných fyziků. Důležitou roli hrají také specialisté na materiály, chlazení, řídicí systémy, výkonovou elektroniku a energetiku. Spolupracují proto výzkumné instituce, univerzity i průmyslové podniky, včetně Centra výzkumu Řež, ČVUT a Západočeské univerzity.

Výzkum energie budoucnosti posílí také Plzeň

Právě propojení elektrotechniky, energetiky a fúzních technologií je jedním z důvodů, proč Slavomír Entler nově rozšiřuje své působení na Fakultě elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni.

Entler pracuje v oddělení vysokoteplotního plazmatu Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR, kde se věnuje vývoji senzorů magnetického pole pro fúzní reaktory. Současně přednáší na Fakultě strojní a Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze.

S plzeňskou univerzitou spolupracuje již několik let, například prostřednictvím odborných přednášek a sdílení zkušeností s vědci a studenty. Nyní se jeho působení rozšiřuje na Katedře výkonové elektroniky a strojů.

Společně s vědcem Vladimírem Kindlem a dalšími kolegy se má podílet na rozvoji aktivit v oblasti energetiky, elektrotechniky a pokročilých technologií. Od nadcházejícího letního semestru se zapojí také do výuky studentů.

Jaderná fúze tak sice stále zůstává technologií budoucnosti, její vývoj ale nabízí konkrétní příležitosti už dnes. A právě odborníci z českých výzkumných pracovišť a univerzit, včetně té plzeňské, mohou pomoci překonat překážky, které zatím brání jejímu praktickému využití.