6 ELEKTRO 1/2014 TOKAMAK aneb Termonukleární fúze jako budoucí zdroj energie V současné době získává naše civilizace naprostou většinu energie z fosilních zdrojů (až 85 %). Spotřeba energie (a tedy i spotře-ba uhlí a ropy) přitom stále roste. Každý po-tenciální a udržitelný zdroj energie si proto zasluhuje mimořádnou pozornost výzkumu a vývoje. Mezi velmi slibné projekty patří i možnost uvolňovat energii pomocí termo-jaderných procesů, myšlenka, která je přímo inspirována základními principy primární-ho zdroje energie přírody – našeho Slunce.Termojaderná fúze je založena na slu-čování vodíku na helium za extrémně vy-sokých teplot. Na rozdíl od fosilních paliv poskytuje nesrovnatelně lepší energetické využití paliva – místo milionů tun by ho sta-čily stovky kilogramů. Obdobná nerovnost platí i pro produkty reakcí, místo milionů tun zplodin a popela vznikají stovky kilo-gramů helia. Oproti obnovitelným zdrojům jde o projekt mohutného centrálního zdroj energie (několik GWe), který bude (podob-ně jako fosilní zdroje) umět přizpůsobit svoji výrobu momentální poptávce. Přitom nabí-zí k výrobě energie principiálně bezpečnější proces, než je jaderné štěpení, neboť nejde o řetězovou reakci. V termojaderném reak-toru stačí mít v každém okamžiku jen tolik paliva, kolik je určeno k momentální výrobě energie, tj. jen několik gramů. Musí v něm ovšem panovat extrémní podmínky, zejmé-na teplota kolem sta milionů stupňů v kom-binaci s dostatečným součinem hustoty pa-liva a schopnosti reaktoru udržet teplo (ta je definována jako podíl tepelné energie paliva a všech tepelných ztrát). Termojadernou fúzi lze dobře přirovnat k hoření: Podobně jako u ohně i u fúze je nutné dosáhnout požado-vané teploty, ale také splnit další podmínky, které umožňují hoření. Podobně jako oheň ale může probíhat i s relativně malým množ-stvím paliva. Mnoho vědců skutečně mluví o fúzi jako o procesu hoření.Největší komplikací na cestě ke zvládnutí tohoto nového zdroje energie je skutečnost, že principiálně není možné postavit malou demonstrační jednotku. Už zhruba po dvou desetiletích výzkumu se ukázalo, že fúzní re-aktor nemůže být užitečným zdrojem energie, dokud nedosáhne poměrně značné velikos-ti. Shodou okolností jde přibližně o velikost uhelných kotlů nebo štěpných jaderných re-aktorů v současných elektrárnách, jenže v pří-padě existujících elektráren jde o velké prů-myslové investice, které byly provedeny až po spolehlivém zvládnutí a zdokonalení mnohem menších a levnějších demonstračních jedno-tek. V případě fúzního reaktoru je ovšem nut-né investovat velké prostředky již do výzkum-né a demonstrační jednotky, včetně přísluš-ného technického vývoje. Proto trvalo celé čtvrtstoletí, než se podařilo stavbu takového zařízení prosadit. První opravdu velký projekt termojaderného reaktoru se právě začíná bu-dovat pod názvem ITER ve Francii, v rám-ci nezvykle široké mezinárodní spolupráce EU, Japonska, Ruska, USA, Číny, Korejské republiky a Indie.Jak se říká, všechno zlé je k něčemu dob-ré. V případě zdlouhavého prosazování de-monstračního reaktoru pro termojadernou fúzi se přínosem stala skutečnost, že výzkum fúze je již delší dobu mimořádně dobře me-zinárodně koordinován a že si díky tomu naše odvětví energetického výzkumu lépe než jakékoliv jiné uvědomuje složitost glo-bální energetické situace a s tím spojená ri-zika prodlení. Evropská fúzní komunita proto v roce 2013 vydala dokument nazvaný Fusi-on Roadmap (cestovní mapa fúze), ve kterém je vytyčen cíl produkce první elektrické ener-gie do roku 2050 a jsou specifikovány nutné technicko-ekonomické předpoklady k tomu, aby tohoto cíle mohlo být dosaženo. Z doku-mentu je zřejmé, že jde o ambicióz-ní a náročný úkol.Termojaderný reaktor ITER, který se má stát hlavním pilířem fyzikálně-technického výzkumu pro prototyp komerčního reakto-ru DEMO, by měl produkovat více než 500 MW fúzního výkonu (ten bude odváděn chladicí vodou), při-čemž vysoké teploty bude udržovat vnější ohřev s výkonem desetkrát menším. Ohřev je založen jednak na svazcích neutrálních částic (atomů vodíku) a jednak na absorpci elek-tromagnetického záření s rezonanč-ními frekvencemi.Princip tokamaku Velmi horký ionizovaný plyn (tzv. fyzikál-ní plazma) je v tokamaku udržován a izolován od stěny pomocí intenzivního magnetického pole v toroidální vakuové nádobě, tj. v nádo-bě o tvaru velké pneumatiky. Tokamak díky své konfiguraci magnetického pole vyniká ve srovnání s jinými konfiguracemi relativně vel-kou schopností udržet energii plazmatu. Tato vlastnost je klíčová z hlediska možného dosa-žení užitečného energetického výstupu. Kon-figurace magnetického pole je v tokamaku vy-tvářena kombinací dvou základních systémů RNDr. Radomír Pánek, Ph.D., Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR, oddělení Tokamak Obr. 1. Stavba základové desky pro zařízení ITER (s las-kavým svolením ITER)Obr. 2. Sché-ma základní konfigurace tokamaku (s laskavým svolením EFDA JET)poloidální magnetické pole vnitřní poloidální cívky (primární vinutí transformátoru)vnější poloidální cív-ky (pro řízení polohy plazmatu a jeho tvaru)elektrický proud plazmatem (sekundární vinutí transformátoru)výsledné šroubovicové magnetické pole toroidální cívky toroidální magnetické pole