Vědci dosáhli průlomu v jaderné fúzi. Co můžeme očekávat?

Datum 17.12.2022

Na tiskové konferenci, která se konala 13. prosince, náměstkyně ministra energetiky pro jadernou bezpečnost a administrátorka Národního úřadu pro jadernou bezpečnost Jill Hruby uvedla, že dosažením zážehu výzkumníci LLNL “otevřeli novou kapitolu ve vědeckém programu NNSA Stockpile Stewardship Program”. Foto: Lawrence Livermore National Laboratory

V americké laboratoři se podařilo zažehnout fúzní reakci, při níž se uvolnilo více energie, než se do ní vložilo. K fúzi jako čistému zdroji energie je však ještě dlouhá cesta.

Již více než 60 let se vědci zabývají jednou z nejtěžších fyzikálních výzev klíčovou pro současnou energetiku: využití jadernoé fúze, zdroj energie hvězd, k výrobě čisté energie zde na Zemi. Tento týden vědci oznámili milník v tomto úsilí. Poprvé se podařilo ve fúzním reaktoru vyrobit více energie, než kolik bylo použito ke spuštění reakce.

Dne 5. prosince soustava laserů v zařízení National Ignition Facility (NIF), které je součástí Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii, vystřelila 2,05 megajoulů energie do malého válce, v němž se nacházela peleta zmrzlého deuteria a tritia, těžších forem vodíku. Peleta se stlačila a vytvořila dostatečně vysoké teploty a tlaky, aby došlo ke slučování vodíku uvnitř této pelety. V malém záblesku trvajícím méně než miliardtinu sekundy uvolnila slučující se atomová jádra 3,15 megajoulů energie – asi o 50 % více, než bylo použito k zahřátí pelety. Vědci se již dlouho snaží dosáhnout čistého zisku energie a teď se jim to konečně podařilo.

Tento úspěch neznamená, že jaderná fúze je nyní životaschopným zdrojem energie. Reakce v NIF sice vyprodukovala více energie, než reaktor spotřeboval na zahřátí atomových jader, ale nevyrobila více, než kolik energie spotřeboval reaktor celkem. Podle Kima Budila, ředitele Lawrence Livermore National Laboratory, lasery potřebovaly 300 megajoulů energie k výrobě energie paprsku o síle asi 2 megajoulů. I tak ale vědci po desetiletích snažení učinili významný krok směrem k fúzní energii.

Ačkoli jaderná fúze i jaderné štěpení čerpají energii z atomu, fungují odlišně. Dnešní jaderné elektrárny se spoléhají na jaderné štěpení, při kterém se uvolňuje energie, když se velké, těžké atomy, jako je uran, rozpadají v důsledku radioaktivního rozpadu. Při fúzi se však malé, lehké atomy, jako je vodík, slučují do větších. Při tomto procesu se uvolňuje malá část jejich společné hmotnosti jako energie.

Přimět jádra vodíku ke slučování na helium vyžaduje v laboratořích vytvoření a udržení “plazmatu” – elektricky nabitého plynu, v němž elektrony již nejsou vázány na atomová jádra – při teplotách několikanásobně vyšších než uvnitř Slunce. Vědci se před desítkami let naučili, jak tento proces explozivně rozpoutat ve vodíkových bombách, a dnešní fúzní reaktory jej dokáží řízeným způsobem na krátký okamžik uskutečnit.

Od přelomu 50. a 60. let 20. století mají fúzní reaktory stejný základní cíl: vytvořit co nejžhavější a nejhustší plazma a pak tento materiál v něm udržet dostatečně dlouho, aby jádra v něm dosáhla vznícení. Potíž je v tom, že plazma je elektricky nabité, což znamená, že reaguje na magnetické pole a při pohybu vytváří vlastní. Aby bylo možné fúzi podpořit, musí dosáhnout skutečně ohromujících teplot. Přesto je tak rozptýlené, že se snadno ochladí.

Jaderné reakce jsou z hlediska uvolněné energie zhruba milionkrát silnější než chemické reakce – a je mnohem těžší je spustit. Při minulých experimentech s jadernou fúzí se možná podařilo dosáhnout správné teploty nebo správného tlaku nebo správné doby udržení plazmatu, aby se dosáhlo vznícení, ale ne všech těchto faktorů najednou.

Metoda zapalování jaderného paliva NIF začíná s peletou velikosti pepře, která obsahuje zmrzlou směs deuteria a tritia, dvou těžších izotopů vodíku. Tato kapsle je umístěna do zlatého válce o velikosti gumy na tužce, který se nazývá hohlraum a který je poté umístěn uprostřed velké komory s laserem.

Pro spuštění fúze NIF vypálí 192 laserů najednou na tento hohlraum. Paprsky pak narážejí do vnitřního povrchu hohlraumu, což způsobí, že začne chrlit vysokoenergetické rentgenové záření, které rychle zahřeje vnější vrstvy kapsle, které se spálí a vyletí ven. Vnitřní část této kapsle se rychle stlačí na hustotu téměř stokrát větší než olovo – což donutí deuterium a tritium uvnitř dosáhnout teplot a tlaků potřebných k fúzi.

Přes veškerý úspěch NIF by komercializace tohoto typu fúzního reaktoru nebyla snadná. Podle vědců z Rochesterské univerzity by takový reaktor musel vyrábět 50 až 100krát více energie, než vyzařují jeho lasery, aby pokryl vlastní spotřebu energie a poté dodal energii do sítě. Musel by také proměňovat v plazma 10 kapslí za sekundu, každou sekundu, po hodně dlouhou dobu. V současné době je výroba palivových kapslí velmi nákladná a je závislá na tritiu, radioaktivním izotopu vodíku s krátkou dobou rozpadu.

Většina těchto problémů však není pro NIF nová a mnoho světových laboratoří a společností zabývajících se jadernou fúzí je řeší. V loňském roce dosáhl experimentální reaktor JET (Joint European Torus) v anglickém Culhamu rekordu v uvolnění největšího množství energie z jaderné fúze během jediného experimentálního provozu. Ve Francii probíhá výstavba jeho nástupce – obrovského mezinárodního experimentu známého jako ITER. Soukromé společnosti ve Spojených státech a Velké Británii postavily supravodivé magnety nové generace, které by mohly pomoci vytvořit menší a výkonnější typy reaktorů.

Těžko říci, kdy a zda vůbec tato práce přinese novou energetickou budoucnost. Výzkumníci v oblasti jaderné fúze však považují tuto technologii za neuvěřitelný nástroj pro lidstvo, ať už bude pro lidstvo připravena ke komerčnímu spuštění ještě v tomto století nebo až v příštím.

Richard Pappen
Zdroj: Lawrence Livermore National Laboratory, Reuters

Eaton 700 x 200 px

Napsat komentář