Milník jaderné fúze: vědci v laboratoři dosáhli fáze „zapálení“

Vize člověkem řízené jaderné fúze se o krok přiblížila realitě: vědcům z kalifornského National Ignition Facility (NIF), který je součástí Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), se totiž podařilo na malý zlomek vteřiny dosáhnout tzv. zapálení. To je stav, kdy záření uvolněné při jaderné fúzi stačí k zahřátí okolního paliva, které také začne fúzovat, a vznikne tak sebeudržující se řetězová fúzní reakce.

Podle LLNL tím bylo v oblasti experimentálního výzkumu jaderné fúze dosaženo důležitého milníku s nadějnými vyhlídkami do budoucna. Zvládnutí zapálení jaderné fúze by totiž pro lidstvo znamenalo nový čistý zdroj energie a nepochybně by přineslo i odpovědi na řadu velkých otázek teoretické fyziky.

Americkým vědcům se v laboratorních podmínkách podařilo zapálení dosáhnout díky obří soustavě téměř 200 laserů o velikosti tří fotbalových hřišť. Ty mířily na peletu deuterium-tritiového fúzního paliva o průměru pouhých několika milimetrů. Laserový paprsek zahřál peletu na teplotu více než 3 miliony °C, čímž se odpařil její povrch a došlo ke stlačení deuteria a tritia na hustotu, při které se jejich atomy začaly slučovat. Při tom se uvolnilo více než 1,3 MJ energie, tedy zhruba 25násobek dosud rekordního množství energie, kterého se podařilo v NIF dosáhnout v roce 2018.

Nový rekord padl i díky řadě technických vylepšení celého experimentálního zařízení: byla použita nová diagnostika, došlo ke změnám ve výrobě tzv. hohlraumu, dutého zařízení, v němž je umístěna peleta, a zvýšila se rovněž přesnost laseru.

Přestože uvolňování energie trvalo jen velmi krátkou dobu – pouhých 100 biliontin sekundy – vědce výsledek experimentu nadchl. „Tento výsledek je historickým pokrokem ve výzkumu fúze inerciálního udržení,“ radostně komentovala událost Kim Budilová, která je ředitelkou LLNL.

I nejnovější experiment si stejně jako všechny předchozí stále vyžádal na vstupu více energie, než kolik jí vyprodukoval, je však prvním, při kterém se podařilo dosáhnout klíčové fáze – zapálení. Vědci si tak připravili půdu pro dosažení další mety, tzv. breakeven, tedy momentu, kdy energie na vstupu je ekvivalentní energii uvolněné fúzní reakcí. Teprve pak bude možné začít se vážně zabývat energetickým ziskem z jaderné fúze.

Jako ve středu Slunce

Někteří vědci považují jadernou fúzi za možný energetický zdroj budoucnosti, zejména proto, že při jeho využívání vzniká jen velmi málo odpadu a žádné skleníkové plyny. Od jaderného štěpení, techniky, která se v současné době používá v jaderných elektrárnách, se zcela zásadně liší. Při štěpné reakci se přerušují vazby mezi těžkými atomy, díky čemuž dochází k uvolňování energie. Ve fúzním procesu se naopak spojují lehká atomová jádra, čímž vznikají jádra těžká a rovněž se uvolní značné množství energie.

V současné době existují dva hlavní způsoby, kterými se vědci snaží ovládnout jadernou fúzi: magnetické a inerciální udržení. Při magnetickém udržení jde o dosažení ustálených podmínek fúzního hoření a o zapálení mluvíme, pokud ohřev plazmatu stačí k stálému udržení extrémní teploty. V NIF se zaměřují na fúzi inerciálního udržení. Myšlenka řízeného uvolňování fúzní energie pomocí inerciálního udržení vychází ze stejného obecného principu, na jakém funguje vodíková bomba – palivo je zahřáto tak rychle, že dosáhne podmínek potřebných k zapálení fúze a začne hořet předtím, než se rozletí. Setrvačnost neboli inerce paliva zabraňuje jeho okamžitému úniku. Důležité však je, že množství paliva musí být mnohem menší než v případě vodíkové bomby, aby energie jednotlivé „exploze“ nezničila okolní prostředí. Objem paliva je také omezen tím, kolik energie dokážeme dodat, aby se palivo dostatečně rychle zahřálo.

Omezení množství paliva lze teoreticky vypočítat. Typické hodnoty energie uvolněné každou malou explozí by tak měly dosahovat řádově stovek milionů joulů. Pro srovnání, jeden kilogram benzínu obsahuje zhruba 40 milionů joulů, takže každá exploze by odpovídala spálení několika kilogramů benzínu. K uvolnění takového množství energie ale stačí jen několik miligramů směsi deuteria a tritia, a to díky jejímu mnohem většímu energetickému obsahu. Toto množství má v pevném skupenství podobu malé kuličky o poloměru pouhých několika milimetrů a odborně se nazývá terčík.

 V LLNL tento teoretický koncept realizují tak, že systémem laserů ohřívají na velmi vysokou teplotu palivové pelety. Ty obsahují tzv. těžké vodíky – deuterium a tritium –, které lze snáze „tavit“ a vyprodukovat z nich více energie. Palivové pelety je však třeba ohřát a stlačit do stavu, který panuje ve středu Slunce, tohoto přírodního fúzního reaktoru.

Jakmile je těchto podmínek dosaženo, fúzní reakce uvolní několik částic, včetně částic „alfa“, které interagují s okolní plazmou a dále ji zahřívají. Zahřátá plazma pak uvolňuje více a více částic alfa a rozbíhá se řetězová reakce – proces označovaný jako zapalování.

Zjistit, co bylo po Velkém třesku

„Týmy NIF odvedly mimořádnou práci,“ ocenil práci svých kolegů profesor Steven Rose, spoluředitel Centra pro studium inerciální fúze na Imperial College London, s tím, že jde o nejvýznamnější pokrok v oblasti experimentů s inerciální fúzí od jejich počátků, které se datují do roku 1972.

Jeremy Chittenden, Roseův kolega ze stejného centra, však varoval, že učinit z tohoto laboratorního a čistě experimentálního řešení prakticky využitelný zdroj energie nebude snadné. „Proměna tohoto konceptu na obnovitelný zdroj elektrické energie bude pravděpodobně dlouhý proces, během nějž bude nutné překonat řadu významných technických výzev,“ řekl, avšak optimisticky dodal: „Tempo zvyšování produkce energie je rychlé, což naznačuje, že brzy můžeme dosáhnout dalších energetických milníků, jako je stav, kdy na výstupu dosáhneme vyššího energetického výtěžku, než je energetická náročnost laserů použitých k nastartování procesu. “

Tým z Imperial College London nyní analyzuje výstupy experimentu pomocí diagnostických metod, které sám vypracoval, aby co nejlépe porozuměl tomu, co se děje za tak extrémních podmínek. Brian Appelbe, výzkumný pracovník Centra pro studium inerciální fúze, uvedl: „Lasery NIF již dříve dokázaly vytvořit ty nejextrémnější podmínky na Zemi, ale nyní se zdá, že nový experiment zdvojnásobil předchozí nejvyšší dosaženou teplotu. Dostali jsme se tak do situace, v níž jsme nikdy předtím nebyli – nacházíme se na dosud nezmapovaném území našeho porozumění plazmě.“

Zvládnutí jaderné fúze a detailní porozumění jejím mechanismům by mohlo teoretickým fyzikům otevřít nové možnosti výzkumu některých nejextrémnějších stavů vesmíru, včetně těch, které panovaly jen několik minut po Velkém třesku.

Související články

Vložit komentář...