Investoři dali miliardy na malé umělé slunce. Ale není moc malé?

Zhruba 40 miliard korun vložili v novém investičním kole firmy i jednotlivci do společnosti CFS. Ta chce vyvinout a postavit malý fúzní reaktor. Otázkou, zda není až moc malý.

Bill Gates, Google i George Soros se sešli u velmi netradiční investice. Tři slavná jména (a celá řada dalších, méně známých) vložili peníze do firmy Commonwealth Fusion Systems (CFS), která vznikla při proslulé technické univerzitě MIT. Společnost slibuje během příštích necelých 20 let uvést do provozu zařízení vyrábějící elektřinu pomocí procesu, který pohání všechny hvězdy: slučování atomových jader, čili jaderné fúze (konkrétně termojaderné fúze, čili fúze za vysokých teplot a tlaku).

V nedávno uzavřeném investičním kole získala CFS od investorů celkem 1,8 miliardy dolarů, tedy cca 40 miliard korun. To je na start-upové poměry skutečně fantastický úspěch. Zvláště když vezmeme v potaz, že samotná firma slovy svých představitelů varuje, že nejde o rychle návratnou investici. Má se údajně jednat o investici dlouhodobou.

Investory mohla snad přesvědčit fantastická návratnost v případě úspěchu. CFS (a obecně obor řízené termojaderné fúze) slibují čistý a v podstatě nevyčerpatelný zdroj energie. (Přesnější popis principu fúze najdete v boxu na konci článku.)

Znovu, ale lépe

CFS k problému přistupuje poměrně tradičním způsobem. Počítá s tím, že její zařízení budou využívat osvědčeného principu fúzního reaktoru známého jako tokamak. Tokamaků bylo za posledních 70 let postaveno cca 250 kusů. V podstatě jde o „magnetickou past“ na extrémně rozžhavené plazma (přes 100 milionů stupňů).

Klíčovou, byť ne jedinou inovací společnosti CFS má být zvládnutí využití nové generace supravodivých magnetů. To má umožnit vytvořit účinnější past na plazma, tak má pomoci velmi výrazně snížit náklady na stavbu celého fúzního zařízení, potažmo elektrárny.

CFS chce používat k výrobě magnetů využívat keramické sloučeniny známé jako YBCO (oxid mědi s ytriem a baryem, odtud zkratka), která se označuje jako „vysokoteplotní supravodič“. Znamená to tedy, za vhodných teplot dokáže vést elektrický proud zcela beze ztrát. Pro fúzní inženýry je důležitější, že elektromagnety z takového materiálu se jednou „zapnou“ a měly by teoreticky fungovat po neomezeně dlouhou dobu, pokud tedy funguje chlazení. V praxi takové magnety býtvají u tokamaků „zapnuté“ týdny bez vnějších dodávek energie.

Použití supravodičů je pro případné elektrárny klíčové. Na udržení plazmatu jsou zapotřebí velmi silné a velké magnety, a kdyby jejich provoz vyžadoval neustále dodávky energie, bylo by těžké vůbec nějakou fúzní elektrárnu postavit. Byl by to spíše velký fúzní „spotřebič“.

Drtivý většina známých supravodivých materiálů si tuto extrémně zajímavou a potenciálně velmi užitečnou vlastnost zachovává pouze za velmi nízkých teplot kolem absolutní nuly. Přízvisko „vysokoteplotní“ tedy v případě YBCO může znít laikovi poněkud směšně: materiál si svou supravodivost zachovává při teplotách maximálně kolem -179°C. Jako „vysokou“ by takovou teplotu označil opravdu málokdo. Z hlediska praktického nasazení je to ovšem proti jiným supravodičům opravdu velká výhoda.

Společnost CFS spoléhá při zvládnutí jaderné fúze na novou generaci supravodivých magnetů. Toto je první, který dosahuje rozměrů nutných pro stavbu jejího prvního demonstračního zařízení (foto CFS)
Společnost CFS spoléhá při zvládnutí jaderné fúze na novou generaci supravodivých magnetů. Toto je první, který dosahuje rozměrů nutných pro stavbu jejího prvního demonstračního zařízení (foto CFS)

Magnety z YBCO je totiž možné chladit kapalným dusíkem, a není již zapotřebí velmi drahého a složitého chlazení kapalným héliem na teploty jednotek Kelvinů. Oněch několik desítek stupňů navíc je z praktického hliediska veliký rozdíl. S takovým systémem se pracuje výrazně jednodušeji.

Odborníci z CFS se domnívají, že do značné míry právě díky tomu by mohly jejich tokamaky být mnohem menší, kompaktnější – a tedy i výrazně levnější než jiná podobná zařízení. Snižování rozměrů se totiž projeví synergicky v celé řadě dalších ohledů.

Jejich plánované zařízení SPARC se v řadě ohledů srovnávat s velkým mezinárodním tokamakem ITER, který od roku 2013 vzniká v jižní Francii. Přitom má mít pouze čtvrtinový průměr proti ITERu a zhruba 60krát menší objem komory. Magnetické pole jeho hlavních magnetů bude přitom výrazně silnější: 22 Tesla proti 12 Tesla ITERu.

Není to moc málo?

„Kapesní“ fúzní reaktory zní tedy na pohled jako skvělý nápad. Nese s sebou i negativa. Jedním je, že „past“ musí být o to těsnější. Čím větší je reaktor, respektive komora, ve které je uvězněno plazma, tím větší je pravděpodobnost úspěchu fúze. Z malé komory prostě rychleji bez užitku „uletí“, velmi zjednodušeně řečeno.

V malých zařízeních tak zatím možné dosáhnout ziskové fúzní reakce: tedy dosáhnout toho, aby v plazmatu vznikalo více energie, než je zapotřebí k ohřevu. Dochází k ní, ale k udržení vhodných podmínek je zapotřebí více energie, než kolik se při slučování jader uvolňuje.

Plazma musí být jednoduše řečeno tak veliké, aby částice paliva (tedy jádra izotopů vodíku) v reaktivní oblasti pobyly dostatečně dlouho. V menších zařízeních jich příliš mnoho utíká ven. Zvenčí je sice můžeme doplňovat, ale to s sebou nese velké energetické ztráty.

Řada odborníků je skeptická k tomu, že by výkonnější magnety společnosti CFS mohly tento hendikep vyrovnat. Druhou ještě méně nápadnou nevýhodou malých reaktorů by mohla být nižší životnost, konkrétně životnost materiálů v jejich stěnách.

Tokamaky jsou magnetické pasti, protože plazma je tak žhavé, že žádný pevný materiál by styk s plazmatem o teplotách desítek či stovek milionů stupňů nemohl přežít (a ostatně by ho nepřežilo ani dosti křehké a vzácné plazma). Ale i když magnetická izolace funguje, reaktor není zrovna přívětivé místo.

V plánovaných reaktorech velká část energie vzniklé fúzí uniká z komory v podobě neutronů. Při nevyhnutelném průchodu stěnou komory zasahují její atomy, které se přesouvají, a materiál tím může měnit své vlastnosti. Stejný problém se objevuje i v dnešních jaderných elektrárnách, ovšem zatížení v hypotetických fúzních reaktorech by mělo být extrémně vysoké.

Dnes se proto vyvíjejí speciální, velmi odolné materiály, které tomuto namáhání mají do značné míry odolat. Ale není jisté, jak intenzivní neutronové „bombardování“ vlastně mohou zvládnout.

Pokud by měl být výkon reaktoru CFS stejný jako výkon „konkurence“, ale s výrazně menší komorou, je nevyhnutelné, že stěny by byly více namáhány. Z komory by „vylétalo“ stejné množství energie, ale protože samotná komora by byla menší, muselo by toto množství energie projít přes výrazně menší plochu. Docházelo by ke zvyšování tzv. „hustoty toku“ energie a neutronů, a tedy výrazně rychlejšímu stárnutí hmoty nádoby na plazma. Aby se libovolná ffúzní elektrárna vyplatila, bude muset ovšem fungovat desítky let…

Schéma tokamaku (foto Entler a kol.)
Schéma tokamaku (foto Entler a kol.)

Nová doba?

Bez ohledu na možný „velký malý problém“ fúzních reaktorů společnosti CFS je nutné ovšem poznamenat, že jejich finanční úspěch je na poměry oboru unikátní. Letošní a historicky vůbec první zpráva o stavu „fúzního průmyslu“ dospěla k závěru, že do tohoto oboru šlo od 90. let 20. století zhruba 1,8 miliardy v soukromých investicích – v podstatě stejně, kolik společnost CFS získala během posledního investičního kola.

Investice do fúze jsou soustředěné v několika „hvězdných“ firmách. Čtyři z nich – Commonwealth Fusion Systems, General Fusion, TAE Technologies a Tokamak Energy – si rozdělily 85 procent z oněch 1,8 miliardy dolarů, které zpráva uváděla. Nepoměr se od té doby díky úspěchu CFS samozřejmě ještě výrazně zvýšil.

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.

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.

Z hlediska údržby není experimtální tokamak vždy ideální zařízení (foto IPP)
Náročná údržba experimtálního tokamaku COMPASS v pražském Ústavu fyziky plazmatu (foto IPP)

Druhý vzadu

Druhou finančně nejúspěšnější fúzní společnosti je v současné době firma Helion Energy. Ta nedávno získala v jednom investičním kole celkem 500 milionů dolarů. Proti CFS jde přitom o společnost postupují vysloveně neprošlapanými cestami.

Vznikla v roce 2013 a 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, důvěra investorů je o to nepochopitelnější. A vzhledem k neotřelosti této technologie je překvapivě optimistický je i její časový harmonogram: odle jejich odhadů by své velké zařízení měla zprovoznit v roce 2024 a hned na něm ukázat, že má vlastnosti vhodné k výrobě elektřiny. Během několika dalších let by pak chtěla vyvinout demonstrátor skutečné elektrárny.

Možná, že mají tyto a další firmy pravdu, a k ovládnutí energie hvězd máme skutečně blízko. Ale i vzhledem k velmi termínově optimistickým slibům řady start-upů se by se ani nikdo nemohl divit tomu, kdyby za pár investorům za několik let po slíbeném „umělém slunci“ nezůstala ve výkazech spíše jen černá díra.

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.

Aktualizace 3.11:: V článku jsme opravili překlepy a chyby. Čtenárům se za ně omlouváme.

Related Posts

    • Matouš Lázňovský says:

      Dobrý den, děkujeme za upozornění. Máte pravdu, v článku se nacházela řada překlepů. Provedli jsme ještě jednu korekturu a Vám i ostatním se tímto omlouváme.
      Zároveň si ovšem za redakci dovolím podotknout, že překladače překlepy nedělají…

  1. Tokamak nikdy ziskove funfovat nebude, neni zalozen na fyzikalnich principech, ale na zazraku zvane kvantove tunelovani.

Vložit komentář...

%d bloggers like this: