Pomocí jaderné fúze by se jednou mohla vyrábět elektřina bez spalování fosilních paliv, s menším množstvím dlouhodobě radioaktivního odpadu a nezávisle na počasí. První fúzní elektrárny mohou podle současných plánů vzniknout už ve 30. letech 21. století, jistý termín ale zatím neexistuje.
V prvním díle této série jsme psali o tom, jak se dá pomocí různých zařízení, dnes nejčastěji tokamaku, vytvořit podmínky, za nichž se mohou lehká atomová jádra spojovat a uvolňovat přitom obrovské množství energie. Ta by se v budoucnu mohla využívat k výrobě elektřiny do sítě.
I když už výzkum probíhá desítky let, současná zařízení zatím nedokážou dlouhodobě udržovat fúzní plazma v podmínkách potřebných pro nepřetržitou výrobu elektřiny ve velkém měřítku.
O to se teď chtějí vědci pokusit v rámci mezinárodního projektu ITER – právě vznikajícího největšího fúzního zařízení světa. ITER má především ověřit, zda lze fúzi provozovat v podmínkách blížících se skutečné elektrárně; elektřinu do sítě ale ještě vyrábět nebude.
Pokud se technologie v praxi osvědčí, další etapou vývoje má být demonstrační fúzní elektrárna DEMO, která má ambici dodávat jako první evropské zařízení svého druhu takto vyrobenou elektřinu do sítě. Zařízení počítá s čistým elektrickým výkonem přibližně 300 až 500 MW.
Současně se však o toto prvenství snaží také soukromé firmy, které chtějí DEMO „předběhnout“ vlastními pilotními projekty elektráren.
Elektrárna nebude vyrábět elektřinu přímo z fúzní reakce. Princip bude v tomto ohledu podobný jako u řady dnešních uhelných, plynových nebo jaderných elektráren. Energie uvolněná při fúzi se přemění na teplo, které bude ohřívat chladicí médium. To následně umožní vyrábět páru, která roztočí turbínu spojenou s generátorem. Ten pak bude vyrábět elektřinu.
Rozdíl je však v tom, z jakého zdroje pochází ona tepelná energie. V případě fúzních elektráren vzniká při fúzní reakci, v níž se spojují dva izotopy vodíku – deuterium a tritium. K tomu dochází při velmi vysoké teplotě, kdy se vodíkové palivo mění na plazma.
Při fúzi vzniká helium, neutron a velké množství energie. Zatímco nabité helium zůstává díky magnetickému poli uvnitř plazmatu, neutron z něj uniká a předává svou energii okolním konstrukcím. Právě tam se jeho energie mění na teplo.
Jako palivo fúzních elektráren mohou sloužit různé izotopy vodíku, ale nejvíc se osvědčily právě deuterium a tritium.
Deuterium se dá velmi snadno získat, protože jde o přirozenou součást vody. Mnohem větší výzvou je ale tritium. Jde o radioaktivní izotop vodíku, který je v přírodě velmi vzácný. Budoucí elektrárna proto nebude moci jednoduše spoléhat na jeho externí dodávky.
Řešením má být takzvaný blanket, tedy vrstva obklopující fúzní komoru (tj. typicky tokamak, případně stellarator). Je tvořen materiály s obsahem lithia. Neutrony vznikající při fúzi budou v blanketu reagovat s lithiem a vznikne nové tritium, které půjde znovu použít jako palivo.
Právě schopnost vyrábět dostatek tritia přímo v elektrárně bude jednou z klíčových podmínek pro dlouhodobý a ekonomicky udržitelný provoz fúzních reaktorů.
I když je základní princip poměrně jednoduchý, cesta od krátkodobých experimentů k funkční elektrárně bude ještě velmi náročná.
Jedním z problémů je obrovské tepelné zatížení, protože uvnitř tokamaku dosahuje teplota paliva (ve formě plazmatu) až 150 milionů °C, což je 10krát víc než teplota v jádru Slunce. Budoucí elektrárna proto bude muset dokázat dlouhodobě odvádět teplo z míst, která jsou vystavena těmto extrémním podmínkám.
Další problém představují rychlé neutrony vznikající při fúzní reakci. Magnetické pole, které v tokamaku udržuje nabité částice plazmatu mimo stěny komory, neutrony zachytit nedokáže. Ty proto pronikají do okolních materiálů a předávají jim svou energii.
Jejich opakované srážky mohou zevnitř narušovat strukturu materiálu – atomy v krystalové mřížce se mohou posouvat a konstrukce reaktoru postupně ztrácí pevnost a odolnost. Budoucí fúzní reaktor proto bude potřebovat materiály, které dokážou tomuto intenzivnímu zatížení dlouhodobě odolávat.
Výzkumníci zároveň musí vyřešit celý palivový cyklus, včetně výroby, získávání a opětovného využívání tritia. Právě proto je výše zmíněný blanket tak důležitou součástí budoucí elektrárny.
A nakonec zůstává otázka, která se u podobných technologií někdy dostává do pozadí: dokáže reaktor vyrábět elektřinu skutečně spolehlivě a za konkurenceschopnou cenu? Elektrárna totiž musí fungovat dlouhodobě a množství energie získané z fúze musí stačit nejen na samotný průběh reakce, ale i k pokrytí vlastní spotřeby a dalšímu provozu.
Provoz a údržba navíc musí být dostatečně spolehlivé a levné, aby mohly konkurovat jiným zdrojům elektřiny.
Co se týče mezinárodního projektu ITER, který má ověřit udržitelnost fúze ve velkém měřítku a získat zkušenosti potřebné pro další vývoj fúzních elektráren, výzkumný provoz se plánuje na rok 2034. V roce 2036 má dosáhnout plného magnetického výkonu a provoz s deuteriem a tritiem by měl začít v roce 2039.
Pokud vše půjde dobře, teprve kolem roku 2050 by se pak mohla spustit fúzní elektrárna DEMO skutečně připojená k síti. Samotný návrh se ale stále vyvíjí a v posledních letech probíhá další technické posuzování jeho koncepce. Uvedený termín je proto velmi orientační a podle zkušeností s provozem ITER se může ještě výrazně změnit.
Do vývoje fúze výrazně investují i soukromé společnosti, zejména ve Spojených státech. Americké ministerstvo energetiky v roce 2026 představilo aktualizovaný plán, jehož cílem je překonat zásadní technologické překážky a podpořit vznik pilotních projektů fúzních elektráren už v polovině 30. let.
Jeden z nejkonkrétněji navržených projektů představila americká společnost Commonwealth Fusion Systems (CFS). Jedná se o elektrárnu ARC ve Virginii s plánovaným výkonem přibližně 400 MW. CFS podle současného plánu očekává, že elektřinu začne vyrábět začátkem 30. let.
Fúzní reaktor má podle současného plánu dodávat elektřinu přímo do sítě. Zda se to však podaří, můžeme zatím jen odhadovat. Největší „oříšek“ pro všechny podobné projekty bude totiž zajištění dlouhodobě spolehlivého provozu.
Právě proto je dobré brát všechny současné termíny s rezervou. U fúzní energetiky se už v minulosti ukázalo, že technické problémy mohou harmonogram výrazně prodloužit.
Pokud se podaří všechny technologické problémy vyřešit, mohla by jaderná fúze v budoucnu doplnit současné nízkoemisní zdroje elektřiny – solární, větrné i jaderné elektrárny využívající štěpení atomových jader.
Oproti fotovoltaice a větrným elektrárnám spočívá výhoda fúzních reaktorů v tom, že jejich výroba elektřiny není závislá na počasí. Navíc, stejně jako ony, neprodukuje při provozu emise oxidu uhličitého, jak se děje při spalování fosilních paliv.
Teoreticky ano. Pokud se podaří zvládnout výrobu tritia přímo v elektrárně pomocí blanketu, bude možné palivový cyklus z velké části uzavřít přímo v zařízení. Dostupnost paliva by tak mohla být teoreticky jednou z výhod fúze oproti dnešnímu jadernému štěpení.
Dalším plusem je, že při fúzní reakci nevzniká stejný typ dlouhodobě vysoce radioaktivního odpadu jako u štěpných reaktorů. Fúzní reakce se navíc při narušení potřebných provozních podmínek sama zastaví – nejde totiž o řetězovou reakci, která by mohla pokračovat bez dodávání paliva a udržování potřebných podmínek.
To však neznamená, že fúzní elektrárna bude fungovat zcela bez radioaktivních materiálů ani že její provoz bude zcela bez rizik. Proto se alespoň zatím jeví spíš jako další možnost využití jaderné energie než jako náhrada jaderného štěpení. I to se ale stane jen za předpokladu, že se fúze v praxi skutečně osvědčí a finančně se vyplatí.
Alespoň v nejbližších letech se nedá očekávat, že by se tento vývoj mohl přímo dotknout běžných domácností nebo ovlivnit cenu elektřiny. Půjde především o další možnost, jak vyrábět velké množství elektřiny s nízkými emisemi, bez výkyvů daných aktuálním počasím.
Fúzní elektrárny by tak mohly doplnit obnovitelné zdroje v době, kdy nesvítí slunce nebo nefouká vítr, a společně s dnešními jadernými elektrárnami přispívat ke stabilitě energetické soustavy. Jestli se to ale skutečně podaří, ukáže teprve čas.
Zdroje:
Commonwealth Fusion Systems – ARC, cfs.energy
EUROfusion – DEMO, euro-fusion.org
Evropská komise – Fusion energy and ITER, energy.ec.europa.eu
ITER, iter.org
U.S. Department of Energy, energy.gov
Výzkum fúze v ČR, ipp.cas.cz
Uhlíkové topné fólie slibují jednoduché a nenápadné vytápění podlahy. Jejich největší výhoda ale nespočívá v úspoře elektřiny, nýbrž v jednoduchosti instalace.
V ČR se chystá výstavba prvního malého modulárního reaktoru. Co od něj očekávat, proč raději nepostavit další velký temelínský blok a zda není taková výroba energie příliš riskantní?
