Základy fúzní energetiky I. – Historie
Jaderná fúze je zdrojem energie Slunce a všech ostatních hvězd. Blíží se ale doba, kdy budeme jadernou fúzí vyrábět elektřinu. Pětidílný seriál Základy fúzní energetiky popisuje současný stav vývoje fúzní elektrárny. První článek se věnuje historii tohoto vývoje. Výzkum řízené jaderné fúze začal po druhé světové válce a v současné době dospěl do fáze přípravy fúzní elektrárny. Na celosvětový projekt fúzního experimentálního reaktoru ITER navazuje projekt demonstrační fúzní elektrárny DEMO. Evropská unie, lídr světového fúzního výzkumu, plánuje zprovoznit DEMO do roku 2050.
Jaderná fúze je perspektivní energetický zdroj, který se v budoucnu nepochybně stane základním energetickým zdrojem lidstva. Důvodem je především to, že zásoby fúzního paliva jsou reálně nevyčerpatelné a bez ohledu na růst energetické spotřeby v budoucích stoletích umožní lidstvu získávat dostatek energie. Při nárůstu celosvětové spotřeby energie podle odhadů OSN jsou pozemské zásoby fúzního paliva dostačující až do doby vyhasnutí Slunce a zániku Země, ve vesmíru pak fúzní palivo tvoří převážnou část viditelné hmoty.
Důležitou vlastností fúzního zdroje energie je, že při získávání a spalování fúzního paliva nedochází k poškozování životního prostředí. Palivem je nepatrná příměs vody a odpadem neškodné a využitelné inertní helium. Fúzní palivo splňuje nejpřísnější kritéria kladená na udržitelné i obnovitelné energetické zdroje včetně přirozeného energetického toku z vesmíru do antroposféry. Při porovnání s obnovitelnými zdroji jaderná fúze shodně nevyžaduje fosilní palivo a neprodukuje žádné emise ani škodlivý odpad, avšak není závislá na počasí (jasno, vítr, dostatek vody), nevyžaduje rozsáhlé zábory přírodní a zemědělské půdy ani plošně nenarušuje krajinný ráz.
Cesta k energetickému využití jaderné fúze je náročná a ani jiná být nemůže, protože představuje významný krok dlouhověké snahy lidstva o ovládnutí energie zahájené prvním záměrným zapálením ohně. Fúzní energetika vyžaduje vývoj nových hi-tech technologií v širokém spektru oborů, které umožní spolehlivou činnost průmyslového zařízení při teplotách v rozmezí od absolutní nuly do stovek milionů stupňů Celsia a při vysokých energetických tocích. Odměnou za to bude energetický zdroj, který poskytne lidstvu dostatek levné a čisté energie po příští miliony let.
Hlavní výhody výroby elektřiny z jaderné fúze
- Skutečně nevyčerpatelný zdroj energie.
- Principiálně bezpečný zdroj energie.
- Ekologický zdroj energie bez negativního vlivu na životní prostředí.
- Levné palivo dostupné všem.
Historie
Otázka, kde bere Slunce svoji energii, podněcovala myslitele a vědce k různým vysvětlením již od nepaměti. Současnou představu zformulovali na počátku minulého století Arthur Stanley Eddington, George Gamow, Robert Atkinson, Fritz Houtermans, Charles Critchfield a především Hans Bethe v přelomovém článku Energy Production in Stars vydaném v roce 1939. Výzkum jaderné fúze v pozemských podmínkách byl zahájen před druhou světovou válkou. Skutečnost, že jaderná fúze může na Zemi probíhat, byla prokázána odpálením první termojaderné bomby pod názvem Ivy Mike v listopadu 1952 a sérií dalších pokusných výbuchů vodíkových bomb [1].
Po druhé světové válce byl v USA, Velké Británii a tehdejším Sovětském Svazu zahájen výzkum řízené termojaderné fúze. V průběhu několika desetiletí byla vyvinuta řada experimentálních fúzních zařízení. K energetickému využití se nejvíce přiblížila zařízení postavená na bázi ruského konceptu fúzního reaktoru tokamak. Americký tokamak TFTR dosáhl v roce 1994 fúzního výkonu 10,7 MW a následně evropský tokamak JET dosáhl v roce 1997 fúzního výkonu 16 MW (obr. 1, 2) [2].
Obr. 1. Evropský fúzní reaktor JET (Joint European Torus) byl spuštěn v roce 1984 v britském Culhamu. Je v současnosti největším fúzním zařízením na světě.
Obr. 2. Fúzní reaktor TFTR dosáhl fúzního výkonu 10,7 MW a reaktor JET fúzního výkonu 16 MW.
Od počátku výzkumu mírového využití jaderné fúze se vědci museli potýkat se ztrátami energie z plazmatu, které brání dosažení potřebné četnosti fúzní reakce a tím i uvolnění využitelného energetického výkonu. Jednou z mála cest, jak zlepšit poměr mezi fúzním výkonem a ztrátami, je zvětšení reaktoru. Energetické ztráty rostou úměrně s poloměrem plazmatu, zatímco fúzní výkon roste mnohem rychleji, úměrně s třetí mocninou tohoto poloměru. Díky tomu se udržení energie zlepšuje se zvětšováním objemu plazmatu úměrně druhé mocnině poloměru. Ve velkém reaktoru se bude uvolňovat mnohem více energie, než kolik jí bude unikat a je možné dosáhnout energetický zisk. Malý energetický fúzní reaktor na korbě náklaďáku je velmi atraktivní, ale bez inovativního konstrukčního zamezení energetických ztrát jde o pouhou fikci.
Se zvětšováním velikosti fúzního reaktoru se ale zvyšují náklady na jeho realizaci, proto již v roce 1973 proběhla první politická jednání o společném mezinárodním vývoji velkého fúzního reaktoru a v roce 1978 byl zahájen projekt mezinárodního reaktoru na bázi tokamaku INTOR (International Tokamak Reactor). Tento projekt nebyl realizován, avšak připravil prostředí pro následující projekt ITER.
Projekt ITER
V roce 1985 se Ronald Reagan a Michail Gorbačov na summitu v Ženevě shodli na společném zájmu vyvinout fúzní nevyčerpatelný zdroj energie. Následující smlouvu o projektu mezinárodního termojaderného experimentálního reaktoru ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) podepsaly v roce 1987 USA, SSSR, Evropské společenství a Japonsko. Přistoupení dalších zemí bylo možné prostřednictvím signatářů smlouvy. Tímto způsobem přistoupilo v roce 1989 do projektu i Československo prostřednictvím SSSR [3].
Odeznění ropné krize a rozpad východního bloku způsobily, že projekt ztratil politickou podporu dvou hlavních aktérů – USA a Ruska. Se ztrátou politické podpory se postupem času vytratily i finanční zdroje a USA v roce 1998 projekt opustily. Proto byl původní projekt v letech 1999–2001 přepracován a reaktor byl zmenšen.
ITER získal nové silné zázemí až díky ekonomickému rozvoji asijských zemí, když se v roce 2003 do projektu připojily Čína a Jižní Korea. Po vstupu Číny se do projektu vrátily USA a v roce 2005 se do projektu zapojila ještě Indie. V současnosti se projektu účastní sedm mocností: EU, Japonsko, Ruská federace, USA, Čína, Jižní Korea a Indie, které představují více než 50 % populace Země a produkují 80 % celosvětového HDP.
Obr. 3. Fúzní reaktor ITER, který se staví u výzkumného střediska CEA Cadarache nedaleko města Aix-en-Provence na jihu Francie. Výška reaktoru bude 29 m a průměr 28 m. Váha reaktoru bude 23 000 t.
Výstavba reaktoru ITER (obr. 3) byla zahájena v roce 2007 u francouzského výzkumného střediska Cadarache. Spuštění reaktoru je odhadováno na rok 2025. Cílem projektu ITER je prokázat možnost energetického využití jaderné fúzní reakce. Po zprovoznění bude reaktor ITER největším fúzním zařízením na světě a současně druhým největším vědeckým projektem v dějinách lidstva po Mezinárodní kosmické stanici ISS.
Vzhledem k politickému charakteru dohod mezi účastníky projektu je reaktor vyráběn po částech v různých zemích světa. To značně zkomplikovalo úkol zajistit vzájemnou kompatibilitu jednotlivých částí reaktoru a jejich přesné sestavení. Při zahájení stavby bylo nutné nejprve překonat množství administrativních, normativních a zvykových rozdílů mezi jednotlivými zeměmi a vytvořit na každý detail reaktoru vlastní výrobní předpis nebo normativ. Projekt ITER je proto jedinečným příkladem celosvětové spolupráce.
Obr. 4. Ptačí pohled na staveniště ITER, březen 2016.
Komplikovaná příprava projektu však vedla ke zpoždění výstavby a k nárůstu předpokládané ceny projektu. V současnosti ještě není upřesněna délka zpoždění výstavby, hovoří se přibližně o pěti letech oproti plánovanému termínu spuštění v roce 2020. Celková cena projektu je odhadována na 15 miliard €, z čehož nemalou část tvoří výzkum, vývoj a testování nových výrobních postupů, komponent a technologií. Výstavba reaktoru je tak plně srovnatelná s dobýváním vesmíru.
Projekt ITER bude demonstrovat řízení plazmatu a řadu reaktorových technologií potřebných pro fúzní elektrárnu: supravodivé magnety, systémy ohřevu plazmatu, vakuový systém, palivový systém a tritiové hospodářství. Reaktor ITER nebude běžně produkovat tritium ani generovat elektřinu, avšak umožní potřebné technologie otestovat. Fúzní výkon reaktoru dosáhne 500 MW.
| 2005 | Rozhodnutí o umístění stavby do Francie |
| 2007 | Formální založení mezinárodní ITER Organization |
| 2007–2009 | Zemní práce |
| 2010–2014 | Základy a seismické zabezpečení reaktoru |
| 2012 | Získání jaderné licence |
| 2020 | Plánované spuštění reaktoru (pravděpodobný posun na rok 2025) |
Nový harmonogram bude oznámen na podzim tohoto roku.
Obr. 5. Základy reaktoru, duben 2016.
Obr. 6. Tanky pro kryogenní systém ITER, vyrobené v Děčíně, květen 2016.
Evropský výzkum
Obr. 7. Britský premiér David Cameron (uprostřed) společně s tehdejším předsedou vlády ČR Petrem Nečasem (napravo) navštívili tokamak COMPASS Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Doprovází je současný ředitel ÚFP Radomír Pánek.
V roce 1958 byla vytvořena první pracovní skupina pro koordinaci výzkumu jaderné fúze v Evropské unii v rámci Evropského společenství pro atomovou energii (Euratom). V roce 1999 byla na základě výzkumné spolupráce při využívání evropského fúzního reaktoru JET podepsána Evropská dohoda o fúzním výzkumu EFDA (European Fusion Development Agreement). V rámci EFDA pak bylo uzavřeno 30 asociačních dohod s evropskými výzkumnými organizacemi včetně asociační dohody EURATOM-IPP.CR Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Dohoda EFDA vypršela v roce 2013 a jejím nástupcem se stalo konsorcium evropských výzkumných organizací EUROfusion. EUROfusion v současnosti sdružuje 31 výzkumných ústavů a národních asociací z celé Evropy.
Jednou z hlavních náplní činnosti konsorcia EUROfusion je projekt demonstrační fúzní elektrárny DEMO (Demonstrational Fusion Power Plant). Projekt DEMO má za cíl vyvinout a postavit elektrárnu s fúzním reaktorem. Přípravné práce na projektu DEMO byly zahájeny v roce 2012 a v současnosti probíhá konceptuální výběr jednotlivých fúzních technologií, které budou v projektu použité.
Fúzní elektrárna
Energetické využití jaderné fúze bylo vždy jedním z hlavních motorů fúzního výzkumu. Vedle fyziky plazmatu byl studován široký okruh otázek, týkajících se zdokonalení technologie fúzního reaktoru a integrace tohoto reaktoru do energetického zařízení. Od devadesátých let minulého století byl hlavním cílem výzkumu návrh a realizace reaktoru ITER, v současnosti již vývoj a výstavba reaktoru probíhá v plné spolupráci s průmyslem, často přímo v podnikových laboratořích, a část vědecké komunity soustřeďuje své síly na projekt fúzní elektrárny.
V roce 2005 byla v rámci EFDA vydána první ucelená studie A Conceptual Study of commercial fusion power plants [4], která shrnula dosavadní práce v oblasti integrace fúzního reaktoru do energetického zařízení. Studie předložila čtyři variantní řešení fúzní elektrárny označené jako modely PPCS (Power Plant Conceptual Study) A až D. V roce 2007 byl doplněn ještě pátý model AB [5]. Modelové reaktory jsou variantně chlazeny heliem, vodou nebo tekutým kovem – eutektickou slitinou lithia a olova LiPb (tab. 1). Všechny varianty pak obsahují v různé formě lithium, určené pro výrobu tritia, které bude v prvních fúzních elektrárnách součástí palivového cyklu. Modely PPCS se staly východiskem pro další vývojové práce prováděné v EU a jsou v tomto smyslu platné doposud, ačkoliv jsou již do značné míry překonané. Vývoj fúzní elektrárny postupně zahájily také USA, Rusko, Čína, Jižní Korea a Indie.
| Model | A | AB | B | C | D |
|---|---|---|---|---|---|
| Fúzní výkon [MW] | 5000 | 4290 | 3600 | 3410 | 2530 |
| Ohřev plazmatu [MW] | 246 | 257 | 270 | 112 | 71 |
| Faktor zesílení Q | 20 | 16,5 | 13,5 | 30 | 35 |
| Faktor multiplikace fúzního výkonu MR | 1,15 | 1,27 | 1,39 | 1,17 | 1,10 |
| Tepelný výkon reaktoru [MW] | 5739 | 5451 | 5004 | 3991 | 2771 |
| Hrubý elektrický výkon [MW] | 2066 | 2385 | 2157 | 1696 | 1640 |
| Vlastní spotřeba [MW] | 520 | 885 | 825 | 247 | 113 |
| Čistý elektrický výkon [MW] | 1546 | 1500 | 1332 | 1449 | 1527 |
| Čistá účinnost elektrárny | 0,31 | 0,35 | 0,37 | 0,42 | 0,60 |
| Typ blanketu | WCLL | HCLL | HCPB | DCLL | SCLL |
| Chlazení první stěny | voda | helium | helium | helium | LiPb |
| Tlak [MPa] | 15,5 | 8 | 8 | 8 | 1,5 |
| Vstupní teplota [°C] | 285 | 300 | 300 | 300 | 700 |
| Výstupní teplota [°C] | 325 | 500 | 500 | 500 | 1100 |
| Chlazení blanketu | voda | helium | helium | LiPb | LiPb |
| Tlak [MPa] | 15,5 | 8 | 0,4 | 0,1 | 1,5 |
| Vstupní teplota [°C] | 285 | 300 | 240 | 480 | 700 |
| Výstupní teplota [°C] | 325 | 500 | 280 | 700 | 1100 |
| Chlazení divertoru | voda | helium | helium | helium | LiPb |
| Tlak [MPa] | 15,5 | 10 | 10 | 10 | 1,5 |
| Vstupní teplota [°C] | 140 | 500 | 500 | 500 | 600 |
| Výstupní teplota [°C] | 167 | 740 | 740 | 600 | 990 |
| Médium sekundárního okruhu | voda | voda | voda | helium | helium |
| Tepelný oběh | parovodní | parovodní | parovodní | plynový | plynový |
| Tlak [MPa] | 8,6 | 8,6 | 7 | 7 | |
| Vstupní teplota [°C] | PWR | 25 | 25 | ||
| Výstupní teplota [°C] | 642 | 642 | 700 | 1075 | |
| Průměrné neutronové zatížení první stěny [MW/m2] | 2,2 | 1,8 | 2 | 2,2 | 2,4 |
| Maximální tepelné zatížení divertoru [MW/m2] | 15 | 10 | 10 | 10 | 5 |
V USA byla v roce 1994 sestavena pracovní skupina ARIES (Advanced Research Innovation and Evaluation Study), která zpracovala řadu studií alternativních konfigurací fúzních reaktorů, např. ARIES-CS, ARIES-ST, ARIES-AT a další. Preferovanými chladicími médii v těchto modelech byly eutektická slitina LiPb a helium. Současné aktivity amerických vědců jsou roztříštěné a soustředí se na studie menších fúzních reaktorů. Dlouhodobě je patrná snaha prosadit mezinárodní výstavbu fúzního testovacího zařízení FNSF (Fusion Nuclear Science Facility), které by doplnilo data potřebná pro výstavbu fúzní elektrárny.
V Rusku byl vývoj fúzní elektrárny zahájen v osmdesátých letech minulého století, v současnosti je však prakticky zastaven z důvodu nedostatku finančních prostředků. V Japonsku byly koncepční práce na fúzní elektrárně zahájeny v devadesátých letech minulého století. Na rozdíl od USA byla pro chlazení reaktoru navrhována především voda s parametry vodního chlazení tlakovodních reaktorů PWR, v některých alternativních návrzích bylo použito helium nebo tekuté soli Flibe (LiF–BeF2) a Flinabe (LiF–NaF–BeF2). Vývoj fúzní elektrárny postupně zahájily také Čína a Jižní Korea. Čína upřednostňuje chlazení heliem, případně společné chlazení heliem a eutektickou slitinou LiPb. Jižní Korea vyvíjí reaktor s heliovým a s vodním chlazením, zvažuje také použití CO2. Indie se soustředí na společné chlazení reaktoru héliem a LiPb.
Fusion Roadmap
V roce 2012 Evropská unie vydala v rámci EFDA další klíčový dokument Fusion Electricity: A roadmap to the realization of fusion energy [6], zkráceně Fusion Roadmap, který popisuje záměr Evropské unie zahájit výrobu elektrické energie pomocí jaderné fúze do roku 2050. Dokument oficiálně ustanovuje označení DEMO pro první fúzní elektrárnu jako zkratku celého názvu Demonstrational Fusion Power Plant a definuje strategické úkoly, na které má být soustředěn intenzivní výzkum a vývoj. Za výchozí bod je považován projekt ITER a cíle projektu DEMO jsou v tomto smyslu následující:
- Dořešit fyzikální a technologické otázky energetického fúzního reaktoru.
- Demonstrovat výrobu několika set MW elektrického výkonu jadernou fúzí.
- Dosáhnout soběstačnosti ve výrobě fúzního paliva.
- Dosáhnout přijatelné provozuschopnosti fúzní elektrárny.
Obr. 8. Hlavní části fúzní elektrárny DEMO.
Podle současné evropské představy [7] bude elektrárna DEMO (obr. 8) realizována ve dvou etapách: blízké DEMO, označené jako DEMO1 a pokročilé DEMO, označené jako DEMO2. V etapě DEMO1 bude při návrhu a výstavbě upřednostněn realistický přístup zaručující zprovoznění elektrárny, před technicky inovativními, ale zatím nejistými řešeními, přičemž pokročilá řešení budou rozvíjena paralelně pro následující fázi DEMO2. Pro plnění úkolů stanovila Fusion Roadmap orientační časový plán, vycházející ze závazku zahájit výrobu elektrické energie z jaderné fúze do roku 2050. Předběžný časový plán je následující:
- Sestavení koncepčního řešení fúzní elektrárny 2014–2020
- Zpracování projektové dokumentace fúzní elektrárny 2021–2030
- Výstavba a zprovoznění fúzní elektrárny 2031–2042
Plněním Fusion Roadmap bylo pověřeno konsorcium evropských výzkumných laboratoří EUROfusion. Elektrárna DEMO by měla být připojena do elektrické sítě v roce 2047.
Strategické úkoly Fusion Roadmap
Dokument Fusion Roadmap definuje 8 oblastí fúzního výzkumu a vývoje, do kterých by mělo být soustředěno úsilí na integraci jaderné fúze do energetiky:
- Provozní režimy plazmatu
Úkol zahrnuje především vývoj metod diagnostiky, řízení plazmatu a snížení zátěže komponent vystavených plazmatu. - Odvod energie
Jedním z hlavních úkolů je výzkum a vývoj vhodného materiálového a konstrukčního řešení tepelně nejzatíženějších vnitroreaktorových komponent fúzního reaktoru. - Radiačně odolné materiály
Materiálový výzkum má za hlavní cíl vyvinout materiály odolné vůči vysokým neutronovým a tepelným tokům pro komponenty vystavené plazmatu. - Tritiová soběstačnost
Úkol zahrnuje výzkum a vývoj procesů a technologií souvisejících s výrobou paliva a uzavřeným palivovým cyklem reaktoru. - Bezpečnost zařízení
Bezpečnost zařízení popisuje bezpečnostní rizika fúzních reaktorů, analyzuje možné havárie, navrhuje způsoby snížení bezpečnostních rizik a připravuje podklady pro schvalovací proces výstavby fúzních elektráren. - Fúzní elektrárna DEMO
Tento úkol řeší integraci fúzního reaktoru do energetického zařízení a související otázky výroby elektrické energie. - Konkurenční cena elektrické energie
Důležitým úkolem je také optimalizace jednotlivých fúzních technologií s cílem zvýšení účinnosti výroby elektrické energie a snížení nákladů na výstavbu a provoz fúzních elektráren. - Stelarátor
Jde o záložní výzkum alternativního typu fúzního reaktoru na bázi magnetického udržení, stelarátoru. Stelarátory nejsou oproti mainstreamovým tokamakům závislé na pulsním induktivním režimu, avšak doposud nedosahují parametry plazmatu srovnatelné s tokamaky.
Obr. 9. Osm strategických úkolů Fusion Roadmap.
Poděkování
Převzaté obrázky a fotografie byly použity s laskavým svolením ITER (www.iter.org), EUROfusion (www.euro-fusion.org), Fusion for Energy (fusionforenergy.europa.eu), Ústavu fyziky plazmatu AV ČR (www.ipp.cas.cz) a FOM-Rijnhuizen/Verdult – Kennis in Beeld (www.differ.nl).
Poděkování patří Ing. Milanu Řípovi, CSc., a RNDr. Radomíru Pánkovi, Ph.D., za pečlivé přečtení rukopisu a cenné poznámky.
Použitá literatura
- G. McCracken, P. Stott, Fúze – energie vesmíru, Mladá Fronta, 2006
- M. Řípa, a kol., Řízená termojaderná syntéza pro každého – 4U, ÚFP AV ČR, Praha 2013, dostupné na
https://www.euro-fusion.org/downloads/ - S. Entler, Historie aplikovaného výzkumu jaderné fúze v Řeži, Centrum výzkumu Řež s.r.o., Řež, 2014
- D. Maisonnier, et al., A conceptual study of commercial fusion power plants, Final Report of the European Fusion Power Plant Conceptual Study (PPCS), EFDA-RP-RE- 5.0, 2005, dostupné na https://www.euro-fusion.org/downloads/
- D. Maisonnier, et al.,Power plant conceptual studies in Europe, Nucl. Fusion 47 (2007) 1524–1532.
- F. Romanelli, Fusion Electricity, A roadmap to the realization of fusion energy, EFDA, 2012, dostupné na
https://www.euro-fusion.org/downloads/ - G. Federici et al., Overview of EU DEMO design and R&D activities, Fusion Engineering and Design 89 (2014) 882–889
Nuclear fusion is the energy source of the Sun and all other stars. Time is coming when nuclear fusion will produce electricity. A five-part series Mastery of sun describes the state of the art of developing a fusion power plant. The first article deals with the history of this development. Research on controlled nuclear fusion started after World War II and currently designing the first fusion power plant is ongoing. A global project of the experimental fusion reactor ITER will be followed by the demonstration fusion power plant DEMO. The European Union, the world leader in fusion research, plans to deploy DEMO to 2050.