Průlomový výzkum jaderné fúze. Z reakce bylo získáno více energie, než do ní bylo vloženo

Americké ministerstvo energetiky oznámilo průlomový výzkum jaderné fúze. Vědcům se při pokusech podařilo z fúzní reakce získat více energie, než bylo použito k jejímu zažehnutí. Výzkum prováděný v národní laboratoři Lawrence Livermore je významným krokem na cestě ke zvládnutí jaderné fúze jako bezpečného, levného a ekologického zdroje energie, jak píše server Heritage.

Jaderná fúze je proces, který pohání hvězdy, jako je naše Slunce. Zvládnutí řízení tohoto procesu slibuje dlouhodobě téměř neomezený zdroj čisté elektřiny s malou spotřebou paliva. Při procesu fúze dochází ke slučování atomů lehkých prvků, jako je deuterium a tritium, za vysokých teplot na těžší prvky, jako je helium. Při tomto procesu vzniká obrovské množství energie ve formě tepla.

Jaderná fúze

Lidstvo po staletí sní o využití sluneční energie. Pokud by se to podařilo, získali bychom zdroj levné, čisté, bezpečné a neomezené energie. Jeden kilogram deuteria, které se přirozeně vyskytuje v mořské vodě, by mohl pohánět stovky tisíc domácností. Zajistili bychom si tak energetickou bezpečnost na dlouhá léta dopředu. Kromě toho je tento proces šetrný k životnímu prostředí, protože neprodukuje škodlivé vedlejší produkty, jako jsou emise oxidu uhličitého nebo radioaktivní odpad.

Fúze lze dosáhnout několika způsoby. Vědci se v současné době zaměřují na metodu řízení termonukleární reakce pomocí magnetického zachycení plazmatu. Tento přístup spočívá v použití silného magnetického pole, které udržuje palivo pro termonukleární fúzi, tedy plazmu. Tato metoda vyžaduje obrovské teploty. Aby došlo k fúzi, musí být vodík zahřátý na teplotu přesahující 100 milionů stupňů Celsia. Teprve pak se lehčí atomy mohou spojit v těžší. Energie vzniklá fúzní reakcí by měla udržovat teplotu a přebytečné teplo lze přeměnit na elektřinu.

Takové termonukleární reakce již byly úspěšně provedeny v tokamacích a stelarátorech v několika výzkumných centrech po celém světě. Problémem je však udržet je v provozu po dlouhou dobu a dosáhnout kladné energetické bilance, což znamená, že reaktor by měl vyrábět více energie, než do něj bude dodáno.

Další metodou je inerciální udržení plazmatu. Tento přístup využívá k ohřevu plazmového paliva laserový systém. Palivové pelety obsahují těžší verze vodíku – deuterium a tritium – které se snáze slučují a produkují více energie. Palivové pelety je však třeba zahřát na vysokou teplotu a vystavit obrovskému tlaku. Je nutné dosáhnout podmínek podobných těm, které panují ve Slunci, které je přirozeným fúzním reaktorem.

Při dosažení fúzní reakce za takových podmínek by se uvolnilo několik částic, včetně částic alfa, které interagují s okolním plazmatem a dále ho zahřívají. Zahřáté plazma pak uvolňuje další částice alfa a tak dále. Vzniká tak samoudržující se reakce, ale k jejímu spuštění je zapotřebí zážeh, tj. spuštění fúzní reakce pomocí laseru.

Průlomové experimenty

To se podařilo vědcům z národní laboratoře Lawrence Livermore v Kalifornii. Tohoto cíle bylo obtížné dosáhnout, protože fúze probíhá při tak vysokých teplotách a tlacích, že je velmi obtížné ji kontrolovat. Američtí výzkumníci však uspěli. Uvádějí, že při svých pokusech získali při fúzní reakci více energie, než kolik bylo použito k jejímu zapálení. Jedná se o zásadní průlom v desetiletí trvajícím úsilí o zkrocení procesu, který pohání slunce.

V National Ignition Facility (NIF), které je součástí národní laboratoře Lawrence Livermore, vědci již několik let pracují na metodě řízení fúzní reakce pomocí inerciálního zachycení plazmatu. V nedávných experimentech vědci použili obří laserový systém, který pokrývá plochu odpovídající třem fotbalovým hřištím. Systém se skládá ze 192 laserů, jejichž paprsky soustředí svůj výkon do jednoho bodu, kde se nachází malý válec (hohlraum) obsahující izotopy vodíku, deuteria a tritia. Do tohoto bodu je nasměrován krátký, ale extrémně intenzivní laserový puls, který způsobí zahřátí paliva na teplotu dostatečně vysokou na to, aby jádra deuteria a tritia překonala vzájemné odpuzování a sloučila se v jádra helia.

5. prosince vědci zaměřili laserový systém na palivovou kapsli, čímž zahájili samovolnou reakci a dosáhli dlouho očekávaného zážehu. Energie dodaná laserem činila 2,05 megajoulů a vyprodukovala 3,15 megajoulů fúzní energie, což znamená kladnou energetickou bilanci.

„Zážeh nám poprvé umožňuje napodobit určité podmínky, které se vyskytují pouze ve hvězdách,“ uvedla ministryně energetiky Jennifer Granholmová na tiskové konferenci ve Washingtonu. Granholmová dodala, že tento výzkum je jedním z nejpůsobivějších vědeckých úspěchů 21. stolet“.

Výroba nízkonákladové energie bez emisí z jaderné fúze je ještě daleko, ale tento úspěch představuje významný krok vpřed. Kim Budil, ředitel Livermorské laboratoře, uvedl, že pro komerční využití technologie jaderné fúze existují „velmi významné překážky“, ale že pokrok v posledních letech znamená, že tato technologie bude pravděpodobně široce využívána již za několik desetiletí, a nikoli za 50 nebo 60 let, jak se dříve očekávalo.

Zdroj: redakce, heritage.org, lasers.llnl.gov