Jaderná fúze ve hvězdách a na Zemi

/ 24.08.2025 /

Ve vesmíru termojaderné fúzní zdroje fungují už miliardy let. Jsou jimi hvězdy. V pozemských laboratořích však na ně stále čekáme. Pozorování fotosféry a chromosféry Slunce na naší hvězdárně umožňuje sledovat projevy sluneční aktivity, které jsou uváděny do chodu energií pocházející z termonukleárních reakcí v jádru Slunce. Zde dosahuje teplota asi 15 milionů stupňů a panuje zde ohromný tlak způsobený nepředstavitelnou hmotností hvězdy. Objem uvnitř Slunce, ve kterém pak dochází k termojaderným reakcím je rovněž velmi velký a tak se zde mohou uplatnit i velmi nepravděpodobné typy reakcí. Jádro Slunce jen tak spíše pomalu doutná, ale protože je obrovské, jsme za Zemi doslova zaplaveni množstvím sluneční energie. Jenomže v laboratorních podmínkách na Zemi potřebujeme, aby termojaderná fúze probíhala byť jen v několika málo gramech plazmatu. Navíc, na Zemi také samozřejmě nedokážeme dlouhodobě udržet tlak srovnatelný s jádrem Slunce. A tak existují v podstatě dvě cesty, jak se s problémem vypořádat. Buď dlouhodobě zajistíme při nízkém tlaku plazmatu jeho extrémně vysokou teplotu, tzn. kolem 150 milionů stupňů, nebo musíme docílit velmi vysokého tlaku jaderného paliva, ovšem to dokážeme pouze na extrémně krátkou dobu. Tu první možnost reprezentují zařízení zvaná tokamaky a stelarátory a tu druhou zařízení pro inerciální fúzi realizovanou pomocí silného laserového svazku. Všechna zařízení jsou sice prozatím ve fázi vědeckého vývoje a k elektrárně mají zatím poměrně daleko, avšak největší naděje v tuto chvíli vkládají vědci do rozvoje tokamaků. Jaderná fúze pomocí laserů se dnes jeví spíše vhodná jako úplně nová technologie pro pohon budoucích kosmických lodí. Technologie tokamaků se začala vyvíjet již v 50. letech 20. století v tehdejším Sovětském svazu. Zlom nastal v roce 1968, kdy se v sovětském tokamaku T-3 podařilo dosáhnout v té době nevídané teploty plazmatu uvězněného v magnetické pasti. Nastal pak jejich rychlý rozvoj, přičemž klíčovým se ukázal růst velikosti reakční komory tokamaku a metody udržení stability plazmatu i jeho ohřevu a diagnostiky. Pro udržení silného magnetického pole se přešlo k supravodivým magnetům. Časem bylo zkonstruováno poměrně velké množství tokamaků po celém světě, přičemž z fyzikálních důvodů platí jednoznačně pravidlo, že čím větší, tím lepší. Pouze velké tokamaky totiž mají možnost splnit tzv. Lawsonovo kritérium a vyprodukovat více energie, než samy potřebují ke svému provozu. A pokud bude přebytek energie natolik veliký, aby pokryl veškeré energetické náklady provozu celé fúzní elektrárny (tzv. inženýrské vyrovnání) a ještě by něco zbylo, jak říkal Vladimír Wagner - na kožich paní ředitelové, bude možné takové zařízení přifázovat k elektrické síti. Měli bychom pak prakticky čistý zdroj energie s nevyčerpatelnými zdroji paliva, pasivně bezpečný (každá porucha elektrárnu v principu vypne), kde vzniká jen velmi omezené množství radioaktivního materiálu, který má relativně krátký poločas rozpadu. Zatím největším vědeckým projektem na světě je výstavba velkého tokamaku ITER, který se realizuje v jižní Francii. Jedná se o extrémní technologickou, materiálovou a logistickou výzvu, která se řeší v rámci velmi široké mezinárodní spolupráce a i když se ještě stále jedná jen o experimentální zařízení a nikoliv o elektrárnu, ukáže cestu budoucího rozvoje. Plánuje se, že do roku 2033 bude probíhat budování a sestavování, v roce 2034 testování a první plazma, 2035 má přinést kontinuální testy s deuteriovým plazmatem a v roce 2039 budou zahájeny testy s tritiem a fúzí. A co dál? Pokud vše půjde dobře, měla by potom být vybudována první fúzní elektrárna DEMO. Zde bude muset být vyřešena i produkce paliva tritia z lithia reakcemi neutronů, takže součástí fúzní elektrárny DEMO by mohl být zřejmě i nějaký menší klasický štěpný reaktor – vznikne tzv. hybridní fúzní a štěpný systém. Řeší se i efektivní ochrana vnitřních stěn tokamaku před intenzivními toky neutronů a teplotami a efektivní odvod tepla a jeho přeměna na elektrickou energii. Je to samozřejmě celé obrovská technologická výzva a běh na hodně dlouhou trať, ale potěšující je, že konkrétně naše republika má velmi dobrou dlouhodobou tradici v účasti na fúzním výzkumu a není vyloučeno, že výstavba evropského DEMO bude realizována právě u nás! Napomáhá k tomu i nově podepsaná dohoda ČR s firmou Rolls Royce o vývoji a výrobě malých modulárních reaktorů v naší republice, protože pokud se nové elektrárny prosadí, budou firmy zabývající se vývojem a výrobou štěpných reaktorů zřejmě podnikat i v oblasti jaderné fúze. Na obzoru se tak rýsuje nový zajímavý strategický směr pro průmyslovou výrobu v našem státě. V současnosti máme špičkové odborníky v oblasti jaderné energetiky a jako Česká republika máme dobře nakročeno. Pokud se fúzní, ale i klasické štěpné elektrárny prosadí, můžeme hrát významnou roli, která zdaleka přesáhne hranice našeho státu.

Projevy sluneční aktivity si prohlédl Vladimír Wagner z naší hvězdárny, nebo je lze sledovat špičkovým slunečním dalekohledem Gregor umístěným na Kanárských ostrovech, který jsme si ukázali v rámci fulldomové prezentace v planetáriu. Vědci zjistili, že energie pohánějící aktivitu Slunce pochází z jeho jádra, kde se uplatňuje především proton-protonový cyklus, ale také CNO cyklus a Salpeterův cyklus, nicméně v laboratoři nemáme takové objemy a proto musíme využít reakce, které mají vysoký účinný průřez.

Na Zemi pochopitelně nelze dlouhodobě dosahovat stejných podmínek jako v jádru Slunce a tak i naše budoucí elektrárny pracující na principu slučování lehkých prvků na těžší budou pracovat poněkud odlišně než hvězdy.

RNDr. Vladimír Wagner, CSc. nám také popsal současný stav energetického průmyslu v ČR a možnosti jeho budoucího rozvoje. Přednáška se návštěvníkům velmi líbila.

Největší vědecký projekt na naší planetě je v současnosti tokamak ITER, který byl návštěvníkům přednášky představen mimo jiné také na nové velkoplošné obrazovce ve foyer ždánické hvězdárny. Při troše nadsázky lze říci, že právě zde se buduje Slunce na Zemi.

RNDr. Vladimír Wagner, CSc. je náš přední jaderný fyzik a skvělý popularizátor vědy. K fyzice se dostal přes astronomii, konkrétně přes pozorování proměnných hvězd a k naší ždánické hvězdárně má velmi srdečný vztah, protože zde v době působení Jindřicha Šilhána absolvoval pozorovací praktika, která se mu na trvalo vryla do paměti. Jaderné reakce jsou úžasné, daly vznik atomům, ze kterých jsme sami složeni, ale to chemické exotermické okysličování, při kterém si můžeme opéct špekáček je také docela fajn!