Drahý sen nebo průlom? Investoři dali miliardy na jadernou fúzi

Společnost Helion Energy, technologický start-up zaměřený na využití termojaderné fúze k výrobě elektřiny, získala v novém kole financování od investorů 500 milionů dolarů. Hodnota celé společnosti byla v tomto kole naceněna na tři miliardy dolarů.

Firma vznikla v roce 2013 skupinou odborníků, kteří hledají novou cestu k využití procesu, který dodává energii hvězdám: tedy slučování jader atomů za vysokých teplot. Zjednodušeně řečeno chce postavit jakousi obdobu naftového motoru. Do speciální komory se „vystřelují“ malé obláčky rozžhaveného plazmatu, obvykle dva proti sobě, které se srazí, a pak ještě stlačí silným magnetickým polem. V obláčku mají vzniknout tak extrémní podmínky, aby docházelo ke slučování jader ve větším měřítku. V komoře se tak bude uvolňovat energie, která se má využít k výrobě elektřiny.

Tento princip nikdy nebyl na větším zařízení využit. Většina odborníků z oboru dnes za nejslibnější princip považuje reaktory, ve kterých plazma delší či kratší domu mají udržet silné magnety (celý princip se nazývá obecně „magnetické udržení“). Nejčastějším reaktorem tohoto typu jsou tzv. tokamaky, které se staví již zhruba 70 let, a na celém světě jich vzniklo větších či menších cca 250.

Proti tomu zařízení Helion Energy je z velké v podstatě nové a unikátní. Těžko si tedy představit, že by společnost při jeho stavbě nemusela řešit nečekané problémy, které mohou zhatit i ty nejlépe připravené plány.

Firma první větší zařízení teprve staví. S konstrukcí začala v červenci roku 2021 poblíž města Everettu ve státě Washington, kde má sídlo. Mělo by jít o zařízení, které bude z jaderné fúze podstatně více energie, než se spotřebuje na ohřátí plazmatu (nevíme, jestli více, než se spotřebuje na všechny ostatní systémy). Takový „energeticky ziskový“ fúzní reaktor zatím ještě nikdo nepostavil.

I když nemá „mnoho v ruce“, firma je zatím velmi optimistická i co se týče časových výhledů. Podle jejich odhadů by své velké zařízení měla zprovoznit v roce 2024, a prakticky okamžitě ukázat, že je použitelné k výrobě většího množství energie, potažmo elektřiny. Během několika dalších let by pak chtěla vyvinout demonstrátor skutečné elektrárny.

Je asi zbytečné říkat, že dodržení tohoto harmonogramu by bylo ohromným překvapením. O zvládnutí jaderné fúze se lidstva snaží již téměř 100 let. A výsledky zatím vždy zaostávaly za očekáváními.

Největší investor

Půl miliardy dolarů by byla významná pomoc pro drtivou většinu mladých společností, v oboru jaderné fúze je to zcela mimořádné. Soukromé fúzní snahy získaly od 90. let 20. století finanční prostředky v celkové výši nízkých jednotek miliard. Nejlepší, byť neúplný odhad, zhruba 1,8 miliardy dolarů, uvádí zpráva o stavu fúzního průmyslu, kterou letos – a to vůbec poprvé – zveřejnily Asociace fúzního průmyslu (FIA) a britský Úřad pro atomovou energii (UKAEA).

Největším investorem v tomto kole byl Sam Altman, známá postava Silicon Valley. Altman byl v letech 2014 až 2019 prezidentem startupové dílny Y Combinator v Silicon Valley a nyní je generálním ředitelem organizace Open AI, která se zabývá výzkumem umělé inteligence a kterou spoluzaložil s Elonem Muskem a dalšími. (Musk od té doby odstoupil s odvoláním na střet zájmů v souvislosti s aktivitami společnosti Tesla v oblasti umělé inteligence). Altman byl také velkým zastáncem univerzálního základního příjmu, tedy myšlenky, že by vláda měla každému občanovi poskytnout základní životní minimum jako kompenzaci za technologické poruchy, které činí některá pracovní místa irelevantními.

Před lety si Altman údajně sestavil seznam technologií, do kterých by se chtěl zapojit, a umělá inteligence a energetika byly na prvním místě tohoto seznamu. Do Helion Energy poprvé investoval v roce 2015, tehdy to bylo 9,5 milionu dolarů.

Hvězdné sliby

Zmíněná zpráva o stavbu „fúzního oboru“ ukazuje, že Helion není zdaleka jedinou společností, která tvrdí, že její úspěch je za rohem. Většina autory zprávy oslovených soukromých fúzních společností údajně očekává (či alespoň autorům řekla), že fúzní energie bude dodávat elektřinu do sítě v roce 2030.

Zpráva uvádí, že na světě existuje nejméně 35 soukromých společností zabývajících se jadernou fúzí. Většina z nich je soustředěna v USA a Evropě. Z těchto 35 společností se jich tucet prohlásil za společnosti v rané fázi vývoje nebo fungující „v režimu utajení“, a proto odmítly poskytnout bližší informace. U zbývajících 23 společností 12 z nich uvedlo, že zahájily činnost teprve v posledních pěti letech.

Ačkoli ne všechny společnosti uvedly výši finančních prostředků, které obdržela, 18 společností, které tak učinily, do dnešního dne nashromáždilo téměř 1,8 miliardy dolarů plus dalších 85 milionů dolarů v grantech a jiných finančních prostředcích od vlád. Čtyři z největších hráčů na poli soukromé fúze – Commonwealth Fusion Systems, General Fusion, TAE Technologies a Tokamak Energy – se na tomto objemu podílí velkou většinou: 85 procenty.

Podle zprávy je nejoblíbenější technikou fúze, kterou společnosti využívají, magnetické udržení, při němž se k zadržení vysokoteplotního plazmatu používají magnetická pole. Zatímco výroba elektřiny je hlavním cílem soukromých společností zabývajících se jadernou fúzí, téměř polovina firem vidí využití této technologie také v pohonu pro vesmírné lodě (jak jsme říkali, jsou to optimisté) a na dalších trzích včetně lodního pohonu, vodíkového paliva a průmyslového tepla.

Ambiciózní cíle

V nadcházejícím desetiletí bude největším experimentem v oblasti jaderné fúze tokamak ITER, který se v současné době staví ve Francii a jehož spuštění se očekává koncem roku 2020. Jedná se o výzkumný reaktor, v jehož plazmatu má vznikat zhruba 10krát více energie, než kolik je zapotřebí k jeho ohřevu.

ITER je ovšem stále experimentální zařízení, které nikdy nebude dodávat elektřinu do sítě. Ve fúzním výzkumu se obecně předpokládá, že výrobu elektřiny poprvé vyzkouší další generace zařízení, která by mohla začít pracovat někdy kolem poloviny 21. století. Například Velká Británie v současné době projektuje prototyp zařízení STEP, které by mělo být v provozu ve 40. letech 21. století. Řada států Evropské unie zase předběžně spolupracuje na přípravě projektu známého jako DEMO.

Navzdory tomuto časovému horizontu se podle zprávy většina soukromých společností domnívá, že tohoto cíle mohou dosáhnout dříve – i když v menším měřítku. Více než dvě třetiny společností oslovených pro účely zprávy se domnívají, že elektřina vyrobená z jaderné fúze by se mohla dostat do sítě v roce 2030, zatímco 20 % si myslí, že to bude spíše ve 40. nebo 50. letech tohoto století.

“Tato zpráva ukazuje, jak se soukromý fúzní průmysl, převážně mimo zájem veřejnosti, přibližuje ke komerčnímu využití fúzní energie,” říká ředitelka komunikace FIA Melanie Windridgeová. “Ambiciózní časové plány, na které upozornil náš první průzkum, ukazují, s jakým zápalem a odhodláním se toto rostoucí odvětví rozvíjí.” Další možností samozřejmě je, že společnosti přeceňují obtíže spojené s dosažením deklarovaného cíle, nebo nechtějí odradit investory.

Windridgeová řekla časopisu Physics World, že pokud má mít fúze významný dopad na cíle v oblasti změny klimatu, pak bude první výroba elektřiny nutná v roce 2030 a komerční zavádění se rozběhne v roce 2040. To však nebude jen výsledkem činnosti soukromých firem.

“Společnosti si uvědomují význam spolupráce veřejného a soukromého sektoru, zejména v oblasti technologií, jako je šlechtění tritia a nové materiály,” dodává Windridge. “Vyzýváme k větší podpoře partnerství veřejného a soukromého sektoru, abychom jim pomohli realizovat jejich ambice.”

Spojením k energii

  • Jaderná či nukleární fúze je typ jaderné reakce, při které dochází ke slučování atomových jader lehčích prvků v jádra těžších prvků a zároveň k uvolnění energie. Termojaderná fúze probíhající za vysokých teplot je zdrojem energie většiny hvězd včetně Slunce. Jaderná fúze je v principu opakem štěpení jader těžkých prvků.
  • Proti slučování jader působí odpudivá elektrická interakce (obě jádra jsou kladně nabitá). Dostanou-li se však lehká jádra dostatečně blízko k sobě, aby překonala Coulombovu bariéru, převládne nad elektrickou silou přitažlivá jaderná síla a obě jádra se sloučí. Rozdíl mezi klidovými hmotnostmi jader před a po sloučení se uvolní ve formě energie.
  • Jedním ze způsobů, jak může fúze probíhat, je působení vysoké teploty a tlaku, kdy do sebe jádra mohou narazit s dostatečnou energií k překonání coulombovské bariéry. V tom případě mluvíme o termonukleární fúzi.
  • V jádru Slunce a dalších menších hvězd hlavní posloupnosti probíhá takzvaný proton-protonový cyklus, kdy se slučují samotné protony (jádra vodíku) na helium. U větších hvězd ke stejné proměně dochází cyklem C-N-O.
  • Ve starších hvězdách dále dochází k 3-alfa reakci, kdy se protonovým cyklem vytvořené helium přeměňuje na uhlík. Ve větších hvězdách pak fúzemi vznikají i další prvky jako je neon, kyslík nebo křemík. Nejtěžší prvek vznikající ve hvězdách termonukleární fúzí je železo, které má příliš silné vazby (fúze energii neprodukuje, ale spotřebovává) a při jeho nahromadění dochází ke gravitačnímu kolapsu a explozi supernovy. Těžší prvky ve vesmíru vznikají jinými typy nukleosyntézy, například při této explozi.
  • Snaha po využití jaderné fúze jako zdroj energie je předmětem bádání, jehož cílem je vytvořit fúzní reaktor. K tomuto zkoumání slouží zejména tokamaky a stelarátory.
  • Jednorázovou jadernou fúzní reakci není těžké vyvolat (lze jí dosáhnout např. elektrickým výbojem[1]), je ale obtížné udržet ji v reaktoru po delší dobu a zajistit kladnou bilanci získané energie ku dodané.
  • Reakce teoreticky použitelná pro výrobu energie na Zemi je syntéza deuteria a tritia:
  • D + T4He + n
  • Deuterium je v přírodě běžně se vyskytující izotop vodíku. Ve svém jádře obsahuje jeden proton a jeden neutron. Tritium je izotop vodíku, který oproti deuteriu obsahuje ještě jeden neutron navíc. Vyskytuje se velmi vzácně, protože jeho poločas rozpadu je 12 let.
  • Ovšem Helion Energy se snaží využít jiné fúzní reakce, konkrétně slučování izotopu helia-3 a již zmíněného deuteria. Mělo by se jednat o tzv. „bezneutronovu fúzi“. Velká část energie uvolněná třeba při slučování deuteria a tritia se totiž uvolňuje v podobě neutronů. Ty je zapotřebí zachytit, aby se energie dala využít, ale je to poměrně složité, a navíc tyto částice mají dost energie, aby neustále narušovaly a poškozovaly materiál reaktoru. Neutrony jsou tedy problém, na druhou stranu „bezneutronová“ fúze je zatím jen velmi málo prozkoumána a ozkoušena. A podmínky nutné k jejímu dosažení jsou ještě extrémnější než třeba právě u slučování deuteria a tritia. Jinak řečeno, využití tohoto typu fúze je skok do neznáma.

Oprava: V článku bylo chybně uvedeno, že zařízení STEP má být uvedeno do provozu ve 40. letech 20. století, místo správného 21. století. Za omyl se omlouváme.

Související články

  1. Miroslav Kalina says:

    “Například Velká Británie v současné době projektuje prototyp zařízení STEP, které by mělo být v provozu ve 40. letech 20. století.”
    …. to už asi nestihnou, ne ? To si to autore po sobě neumíš ani přečíst ?!?!?!?!?!

Vložit komentář...