Zásobovanie energiou v budúcnosti: Jadrová fúzia dosahuje teploty slnečného jadra
Jadrová fúzia je považovaná za ideálny spôsob výroby energie, ale napriek veľkému počtu výskumných projektov sa zdá, že jej realizácia si počká ešte 50 rokov.
Až 37 miliónov stupňov Celzia. To je približne teplota slnečného jadra. Také horúce vraj boli protóny a plazma v experimentálnom reaktore pre jadrovú fúziu. Oznámili to vedci pod vedením Bena Levitta z americkej výrobnej spoločnosti Zap Energy Inc. začiatkom apríla v časopise americkej fyzikálnej spoločnosti Physical Review Letters.
Spoločnosť Zap Energy sa zaoberá výskumom využitia jadrovej fúzie na relatívne malom priestore a s výrazne nižšou spotrebou energie. Dosiahnuté teploty sú pre tento typ reaktora bezprecedentné.
„Máme pred sebou ešte veľa práce“
Levitt a jeho kolegovia vo svojej výskumnej práci opisujú takzvaný Z-pinch fúzny experiment (FuZE) s napätím od jedného až do troch kiloelektrónvoltov. To zodpovedá približne 11 až 37 miliónom stupňov Celzia. Táto hranica je dôležitou prekážkou pre fúzne systémy. Ich experiment je však „najjednoduchším, najmenším a nákladovo najefektívnejším zariadením, ktoré ju dosiahlo“.
Na rozdiel od medzinárodných výskumných projektov s veľkými reaktormi, pracujú s „neuveriteľne skromným“ vybavením podľa bežných štandardov fúzie, vysvetlil zástupca vedúceho oddelenia výskumu a vývoja. Spoločnosť Zap Energy však dokáže držať krok s „veľkými hráčmi“, a to „s veľkou účinnosťou a pri zlomku zložitosti a nákladov“.
Na rozdiel od iných prístupov nevyžaduje technológia spoločnosti Zap drahé a zložité supravodivé magnety ani výkonné lasery. „Technológia Zap je rádovo lacnejšia a rýchlejšia ako iné zariadenia, čo nám umožňuje vyrábať […] najlacnejšie tepelné fúzne neutróny na trhu,“ povedal Benj Conway, generálny riaditeľ a spoluzakladateľ spoločnosti Zap Energy.
Táto technológia preto ponúka potenciál „oveľa kratšej a schodnejšej cesty ku komerčnému produktu schopnému vyrábať na požiadanie dostatok bezuhlíkovej energie pre celú zemeguľu“. Konkrétne výskumníci už pracujú na jej nástupcovi, zariadení FuZE-Q. Toto zariadenie má desaťkrát viac uskladnenej energie a dá sa „škálovať na oveľa vyššie teploty a hustoty“. Paralelne prebieha vývoj elektrárenských systémov.
„Stále máme pred sebou veľa práce,“ zhrnul súčasný stav Levitt. Jeho šéf dodáva: „Určite máme pred sebou veľké výzvy, ale máme všetko, čo potrebujeme na ich vyriešenie.“
Žiadne kocky ľadu v horúcej polievke
Prvým krokom k vytvoreniu podmienok pre jadrovú syntézu je vytvorenie plazmy, stavu známeho aj ako „štvrtý stav hmoty“ alebo štvrtý agregátny stav. V tomto stave už atómové jadrá a elektróny nie sú viazané v atómoch, ale voľne prúdia v subatomárnej polievke. Jadrá sú kladne nabité a v skutočnosti sa navzájom odpudzujú. Ak sú však dostatočne stlačené, môže dôjsť k ich zrážke a fúzii.
Z-pinch experiment má svoj pôvod v náhodnom objave z roku 1950, keď austrálski fyzici zistili, že bleskozvod bol úderom blesku výrazne stlačený. Ako sa neskôr ukázalo, mohli za to magnetické polia, ktoré dokážu stlačiť ako kovovú tyč, tak aj plazmu.
V druhom prípade je problém rovnaký ako pri iných fúznych usporiadaniach: nestabilita plazmy. Zap Energy používa namiesto kovového bleskozvodu reťazec atómov deutéria. Nestabilita bola čiastočne vyriešená dynamickým procesom. Vodivá plazma generuje vlastné elektromagnetické pole, ktoré ju zahrieva a zároveň stláča. Inými slovami, plazma sa čiastočne stabilizuje. Takto vytvorené plazmové vlákno bolo dlhé asi 50 cm a hrubé približne jeden milimeter.
Pretože atómové jadrá sú viac ako tisíckrát ťažšie ako elektróny, obe zložky plazmy sa môžu zahrievať a ochladzovať rôznou rýchlosťou. Nakoniec sa predpokladá, že atómové jadrá sa spoja a musia sa zohriať na určitú teplotu, ale môžu nastať situácie, keď chladné elektróny ohrev obmedzia, podobne ako kocky ľadu v horúcej polievke. V tomto konkrétnom prípade sa vedcom podarilo dokázať, že elektróny v plazme sú rovnako horúce ako ióny.
Dlhá história jadrovej fúzie
Jadrová fúzia ako taká nie je „novým vynálezom“. Hviezdy vrátane nášho Slnka vyrábajú energiu na tomto princípe už miliardy rokov. Približne pred 90 rokmi aj ľudia po prvýkrát vynašli fúzne reakcie. Odvtedy je ich účinok fascinujúci, a to nielen v súvislosti s výrobou energie.
Jediná jadrová zbraň by totiž na niekoľko rokov ožiariť celú zemskú atmosféru alebo náhle roztopiť ľad v Arktíde a vyvolať obrovskú vlnu. Niekoľko detonácií pri kalifornskom pobreží by zasa mohlo „vyvolať cunami, ktoré by zaplavilo západ USA až po Skalnaté hory“.
Najneskôr od konca studenej vojny sa objavujú pokusy využiť túto energiu v prospech ľudí, a nie na ich zničenie. V posledných desaťročiach bolo vybudovaných niekoľko veľkých a mnoho menších experimentálnych zariadení vrátane Wendelsteinu, JET a ITER, v ktorých sa majú napodobniť procesy vo vnútri Slnka a využiť ich na výrobu energie.
Jadrová energia je v podstate založená na Einsteinovom vzorci E = mc². Tá hovorí, že hmotnosť (m) a energia (E) sú dve strany tej istej mince. Vzorec tiež hovorí, že hmotnosť v tejto rovnici musí byť vynásobená rýchlosťou svetla na druhú (c²).
Jadrová fúzia a vznik pozemského Slnka
Hmotnosť sa však nedá jednoducho premeniť na energiu. Tú možno získať len využitím takzvanej „väzbovej energie“. Max Planck hovorí: „Všetka hmota vzniká a existuje len vďaka sile, ktorá spôsobuje vibrácie atómových častíc a drží ich pohromade, aby vytvorili najmenšiu slnečnú sústavu vo vesmíre.“
Tieto slová „držať spolu“ pripomínajú väzbovú energiu. Tá však nie je vôbec malá: energia jedného gramu väzbovej energie zodpovedá energetickému obsahu viac ako dvoch miliónov litrov benzínu. S piatimi kilogramami väzbovej energie by sa 45 kubických kilometrov vody mohlo zdvihnúť o jeden meter.
Jadrová fúzia je považovaná za ideálnu cestu k nekonečnej a čistej energii. Je tu však problém, pretože potrebné vodíkové protóny sú oba kladne nabité a vzájomne sa odpudzujú celou svojou silou – ako rovnaké póly dvoch magnetov. Táto odpudivá sila, takzvaná „Coulombova bariéra“, je v atómoch takmer nekonečná a možno si ju vynútiť len teplotou približne 15 miliónov stupňov Celzia a obrovským tlakom slnečnej hmoty. Keďže na Zemi je tlak nižší, musia byť teploty oveľa vyššie. Na veľkých zariadeniach sa experimentuje s plazmou s teplotou vyššou ako 100 miliónov stupňov Celzia.
Doteraz sa to však nepodarilo. Všetky fúzne reaktory na svete sú testovacie zariadenia a zatiaľ len spotrebovávajú energiu, ale nikdy nevyrobia viac, ako si vyžaduje výrobná hala plná testovacích zariadení. Veľká fúzna elektráreň, ktorá by mohla vyriešiť energetické problémy ľudstva, zostáva snom budúcnosti. O existencii menších elektrární – od veľkosti chladničky po šálku kávy – sa už hovorí, ale zatiaľ sa ich nepodarilo uviesť na trh.
Pôvodný článok
