Spojené království plánuje prototypovou fúzní elektrárnu

Britská vysoce kompaktní fúzní elektrárna s tokamakem STEP – Spherical Tokamak for Energy Production – by měla být postavena do roku 2040. Profesor Ian Chapman, ředitel UK Atomic Energy Authority (UKAEA) vysvětluje, že to bude vzrušující a že to je naděje pro celý svět. Ve svém vystoupení před médii 11. listopadu 2020 poskytl i další informace o jaderné fúzi.

„V současné době spalujeme v globálním měřítku o 50 % více fosilních paliv než v roce 2000, a to přesto, že již tehdy byl dostatek informací o nebezpečné změně zemského klimatu. Je to velmi depresivní statistika. Spojené království sice podniká kroky, jak dosáhnout nulových emisí CO₂, jedná se ale o problém globální. Podobně jako COVID-19, ani ten nelze řešit lokálně, ale zase jen globálně“, říká Ian Chapman. Dnes dosahuje globální spotřeba plynu, ropy a uhlí přibližně 11 000 Mt (milionu tun) ropného ekvivalentu, zbývá ale také 11 000 dní do roku 2050. Při velkém zjednodušení to znamená, že k dosažení nulových emisí do roku 2050 by bylo potřeba každý den ušetřit jednu megatunu ropy, a to po dobu 30 let. Co to ale znamená? Jedna megatuna ropného ekvivalentu představuje výkon jedné konvenční jaderné elektrárny nebo výkon největší světové offshore větrné elektrárny Hornsea ve Spojeném království (174 sedmimegawattových větrných turbín na ploše více než 400 km²). Budeme potřebovat postavit jednu z nich každý den, abychom odstranili veškerý uhlík, který dnes spalujeme. To je velká výzva. Je nutno se ptát, jak ji vyřešíme. 

Nekonečný zdroj energie 

Stephen Hawking ve své poslední knize odpověděl na otázku, jakou myšlenku, která by změnila svět, by mělo lidstvo realizovat: „Je to jednoduché. Rád bych viděl vývoj fúzní energie, která by poskytovala neomezené množství čisté energie.“ Hawking si uvědomoval, že fúze je nekonečný zdroj energie. Neprodukuje uhlík, je to zdroj, který pracuje 24 hodin denně a 7 dní v týdnu, má nevyčerpatelný zdroj paliva, protože jím je voda, produkuje minimální množství odpadu atd. Jestliže se nám podaří donutit izotopy vodíku, deuterium a tritium, aby se sloučily, uvolní se ohromné množství energie, které je mnohokrát větší než v případě jaderných, natož uhelných nebo plynových elektráren. Díky fúzní energii získáme nejen elektřinu, ale navíc i inertní plyn helium. Jedním z izotopů vodíku je tritium, což je radioaktivní prvek, který vyžaduje speciální zacházení. Má krátký poločas rozpadu –12,32 let. I když to představuje určitý problém v rámci fúzního procesu, není to problém z dlouhodobého hlediska. 

Fúze musí být technicky realizovatelná a tržní 

Vývoj fúzní energie není snadný úkol. Aby bylo možno získat energii, je třeba fúzní palivo zahřát na desetkrát vyšší teplotu, než je uprostřed Slunce. Je zřejmé, že tak horké palivo se nemůže dotýkat stěn fúzního reaktoru. Aby k tomu nedošlo, zabraňují tomu velmi silné magnety. Tento způsob zadržení plazmatu je znám již od 70. let a do současné doby se neustále vylepšuje. Zde se naskýtá otázka: když to bylo známo již tehdy, proč to po tak dlouhé době ještě nefunguje? Termojaderná fúze vyžaduje tři věci: přitažlivost pro trh, technickou realizovatelnost a privátní investice. Podpora trhu je nezbytná právě v současné klimatické krizi. Pokud se jedná o technickou demonstraci, je třeba prokázat, že získaná energie bude větší než energie vynaložená. Dnes do fúze zatím vkládáme více energie, než kolik energie získáme. To by se mělo brzy změnit, a to díky demonstračnímu fúznímu reaktoru ITER, který na ohřev paliva vynaloží výkon 50 MW, ale získá 500 MW. To je takové množství energie, jaké potřebují např. města jako je Leeds nebo Liverpool. Je rovněž zapotřebí, aby samotný trh měl zájem investovat do jaderné fúze. Dnes je fúze financována převážně z veřejných zdrojů, protože je stále ještě v předkonkurenční etapě vývoje. Ale už i trh začíná projevovat zájem o financování. Existuje na 40 společností, které v posledních 10 – 15 letech uvolnily pro tyto účely 2 miliardy liber (skoro 60 miliard korun). Ke zvýšenému apetitu trhu přispívají i jiné okolnosti. 

Britský tokamak JET je největší 

Největší fúzní zařízení, které je dnes na světě v provozu, existuje ve Spojeném království a jmenuje se JET. Je to jediné zařízení na světě, které je schopné pracovat se skutečnými fúzními palivy, tj. deuteriem a tritiem. Je to také jediné zařízení, které používá stejnou směs kovů, která bude používána uvnitř budoucí fúzní elektrárny, a která má také ověřit technologii používanou v ITER. Provoz JET umožnil získat Spojenému království jedinečné zkušenosti. A tato země má také největší fúzní organizaci na světě, a to United Kingdom Atomic Energy Agency (UKAEA), která je vybavena širokými schopnostmi nutnými pro projektování fúzních elektráren. Kromě jiného je třeba ještě vyzkoumat, jak kontrolovat palivo s teplotou 100 milionů stupňů Celsia. I tento problém se řeší v tokamaku JET. Je nutno také vyřešit problém, jakým způsobem odčerpávat ohromné množství vznikající tepelné energie. Pro tyto účely bylo v nedávné době dokončeno zařízení MAST Upgrade. 

Buduje se největší zařízení na výzkum tritia 

Je třeba získávat i další poznatky, mezi něž patří například i to, jak neutrony vznikající při fúzní reakci ovlivňují materiály elektrárny, a testovat příslušné komponenty, aby mohly být kvalifikovány pro využití v budoucích fúzních elektrárnách. Důležité jsou i znalosti o zpracování a skladování tritiového paliva. Pro tyto účely se ve Spojeném království buduje největší tritiové výzkumné zařízení. Je samozřejmé, že do prostředí s vysokým magnetickým polem a přítomností neutronů nelze posílat pracovníky. Proto je nutné vyvíjet a používat pro opravy komponent uvnitř elektrárny velké roboty. Spojené království má největší středisko jaderných robotů v Evropě označované jako RACE. Všechny uvedené poznatky je třeba vzájemně propojovat v rámci integrovaného projektu. 

Komerční hledisko

Pan Chapman je přesvědčen o tom, že ITER bude fungovat i v komerčním měřítku. Jestliže však vezmete projekt ITERu a budete se snažit o jeho větší verzi, bude nutno vynaložit obrovské množství peněz. Náklady na vybudování ITER jsou asi 20 miliard liber. Ze zkušeností se štěpnými reaktory víme, že při vynakládání velkých částek na jednu elektrárnu se zpomaluje pronikání na trh. To si před 30 lety uvědomilo i Spojené království, a proto prosazuje myšlenku sférického tokamaku. Velká část nákladů ITER souvisí s velkými magnety, které musí udržet žhavé plazma, a také s výstavbou velké budovy v níž jsou tyto magnety umístěny. Jestliže se budou používat menší magnety s lepšími vlastnostmi a vyšším využitím, bude možno ušetřit velké náklady. V té souvislosti se objevila myšlenka vybudování sférického tokamaku, což je kompaktnější zařízení, které má v principu produkovat stejné množství elektřiny, efektivněji využívat magnety a snižovat náklady. 

Spherical Tokamak for EnergyProduction 

Hraniční podmínkou je to, že palivo o teplotě 150 – 200 milionů °C musí zůstat uprostřed fúzního zařízení. Jestliže se tak horké palivo umístí do mnohem menšího objemu, pak je zřejmé, že pravděpodobnost poškození stěn bude o hodně větší. Proto bude muset být k dispozici chytrý způsob, jak teplo z fúzního zařízení odčerpat. V polovině prvního desetiletí byl vypracován projekt tohoto zařízení a před sedmi roky byla zahájen jeho stavba, která byla dokončena před několika týdny. Příští léto budeme vědět, zda tento systém bude skutečně fungovat. „Nikdo jiný ve světě něco takového ještě nevybudoval, je to jedinečné“, říká Ian Chapman. Pokud to bude fungovat, bude to převrat v oblasti proudění tepla o tak velkém dosahu, jako byl například návrat raketoplánu zpět do atmosféry, nebo schopnost vyrobit automobil s životností sto let.

 Pokud se splní předpoklady a očekávání, bude to v oblasti fúze významný posun a změna, protože pak už bude možno si reálně představit opravdovou fúzní elektrárnu. 

Velký krok – STEP 

Před rokem se začala projektovat a připravovat stavba fúzního zařízení STEP. Cílem je vyrábět čistou elektřinu za mnohem menší investiční náklady, než je tomu u jiných fúzních elektráren, které by používaly technologii tokamaku ITER. Technologie sférického tokamaku bude kompaktnější a doufejme, že bude i levnější. Britská vláda již vynaložila 220 milionů liber na koncepční projekt. Souběžně se hledá vhodná lokalita a pracuje se s vládou na vypracování legislativních opatření. Pracuje se rovněž na tom, jak tento projekt dostat na trh. 

STEP je velmi ambiciózní program, jehož cílem je stát se prvním na světě při výstavbě prototypové fúzní elektrárny – a potom novou technologii exportovat do celého světa. Spojené království hodlá být v první linii při řešení klimatické změny za pomoci nové technologie. 

Propagační film o zařízení STEP najdete zde: https://www.youtube.com/watch?v=KHBUuKfCOyU

Zdroj: WorldNuclearNews 4.12.2020: Speech:Hosting theworld´sfusionpower plant