Saháme po svatém grálu. Vědci získali z jaderné fúze víc energie, než do ní vložili
13. 12. 2022 – 16:22 | Technologie | Pavel Jégl | Diskuze:
Fyzici v úterý oznámili průlom v jaderné fúzi. Dává naději, že jednou budeme mít jedinečný energetický zdroj – ekologický, levný a bez ruského vlivu. Od energetické spásy fúzními elektrárnami jsme však vzdáleni desítky let.
Termonukleární fúze ve hvězdách, včetně našeho Slunce, zásobuje vesmír energií. Pokud ji dokážeme napodobit, získáme svatý grál energetiky.
Takovému cíli je lidstvo o další krok blíž poté, co fyzici v projektu NIF (National Ignition Facility) vedeném v Národní laboratoři Lawrence Livermore (LLNL) pomocí laserů vyrobili z fúze víc energie, než do ní vložili.
BREAKING NEWS: This is an announcement that has been decades in the making.
— U.S. Department of Energy (@ENERGY) December 13, 2022
On December 5, 2022 a team from DOE's @Livermore_Lab made history by achieving fusion ignition.
This breakthrough will change the future of clean power and America’s national defense forever. pic.twitter.com/hFHWbmCNQJ
Vysněná energie
Při fúzi, do které byla dodána energie 2,05 megajoulu, vzniklo 3,15 megajoulu, informuje v úterý televize CNN. To je výrazný energetický zisk.
„To, čeho jsme dosáhli, je triumfem vědy, techniky a především lidí.“ Kim Budilová, ředitelka Národní laboratoře Lawrence Livermore
„Řešili jsme jednu z nejvýznamnějších vědeckých výzev lidstva. To, čeho jsme dosáhli, je triumfem vědy, techniky a především lidí,“ řekla během tiskové konference, na které průlom ve fúzi oznámila, ředitelka laboratoře Kim Budilová.
„Je to milník posouvající nás ke společnosti, kterou bude pohánět fúzní energie,“ upozornila na konferenci americká ministryně energetiky Jennifer Granholmová.
Termonukleární fúze je proces, při kterém se za vysoké teploty a tlaku slučují jádra atomů. Během reakce se uvolňuje velké množství energie, která je úměrná jejich hmotnostnímu úbytku.
Zisk z fúze je předpokladem pro to, abychom jednou mohli zkonstruovat fúzní zařízení, které bude vyrábět energii pro spotřebitele – čistou, bez emisí uhlíku, a přitom bez radioaktivního odpadu, který vychází ze současných reaktorů.
K takovému cíli je však nutné urazit ještě dlouhou cestu. Zabere patrně desítky let.
Napodobili Slunce
Uvnitř hvězd, včetně Slunce, funguje fúze tak, že se za vysoké teploty a vysokého tlaku jádra vodíku přiblíží a převládne přitažlivá jaderná síla nad odpudivou elektrickou silou. (Dá se to přirovnat k přibližování dvou magnetů shodnými póly k sobě.)
Jádra lehkých atomů vodíku se začnou spojovat a vytvoří jádra těžších prvků, jakým je helium. Při tom se uvolňuje obrovské množství energie, kterou Slunce vyzařuje jako světlo a teplo.
Během fúze, na rozdíl od štěpení těžkých jader v reaktorech, nevzniká téměř žádný radioaktivní odpad. Zásoby vodíku, který k fúzi potřebujete, jsou přitom skoro nevyčerpatelné.
Experti v kalifornské laboratoři při svých experimentech střílejí 192 laserových paprsků do kapslí paliva o velikosti kuličky pepře, složeného z izotopů vodíku - deuteria a tritia. Laserový tok je tak silný, že dokáže zahřát kapsli s palivem až na 100 milionů stupňů Celsia, což je vyšší teplota než ve středu Slunce. Současně na palivo vyvine tlak 100miliardkrát větší, než ten, který panuje na povrchu Země. Za těchto podmínek se atomy spojují a uvolňují energii.
Letos 5. prosince vědci tímto způsobem nejen vyvolali megavýbuch energie a zážeh fúze, ale dosáhli stavu, kdy energie uvolněná fúzní reakcí převýšila energii laserů, které fúzní reakci spustily.
V obdobném experimentu z loňského osmého srpna vytěžili vědci z fúze 1,35 megajoulu. Lasery, které použili ke stlačení a zahřátí atomů vodíku, přitom do reakce dodaly 1,9 megajoulu.
Nyní se ztráta poprvé změnila na zisk.
Lawrence Livermore National Laboratory scientists confirmed the National Ignition Facility has produced more energy from a fusion experiment than was put in. Q > 1 but the journey towards a (cost) effective reactor is still a long road ahead
— Massimo (@Rainmaker1973) December 13, 2022
[read more: https://t.co/qhyVpQlwZM] pic.twitter.com/3zP4jyTjqB
Jeremy Chittenden, profesor fyziky plazmatu a spoluředitel Centra studia jaderných fúzí na Imperial College London, označil prosincový experiment za „skutečný průlomový okamžik“. „Tento výsledek dokazuje, že svatý grál lze skutečně dosáhnout,“ řekl stanici BBC.
Poměřováno některými parametry však fúze nebyla až tak oslnivá. Při nabíjeni laserů se spotřebovalo 330 megajoulu, což čistý zisk energie z experimentu několikanásobně převýšilo. Použité lasery jsou kromě toho schopné uvolnit jeden výboj trvající 400 mikrosekund za den. Ve fúzní elektrárně by přitom měly „střílet“ několikrát za sekundu.
Sklenka paliva na celý rok
V budoucnu bude nutné fúzi dlouhodobě udržet a regulovat. A také vymyslet, jak ji provozovat ve velkém měřítku.
Pohled na fúzní komoru v laboratoři Lawrence Livermore.
| zdroj:
Profimedia
„Tento úkol se dá popsat jako překonání rozdílu mezi škrtnutím zápalkou a zažehnutím plynové turbíny,“ upozornil jeden z vedoucích experimentů Julio Friedmann. Množství energie, které výzkumníci v experimentu vyrobili, bylo nepatrné. Postačilo by pouze k uvaření vody v deseti až patnácti konvicích.
Důležité bude také snížit náklady fúze, aby ji bylo možné využívat komerčně. Od toho všeho nás dělí pořádný kus cesty. Budilová odhadla, že bychom ji mohli ujít za padesát, šedesát let.
Experiment v Livermore je velký vědecký úspěch v jaderné fúzi. Pořád to však není technologický průlom.
Perspektiva, kterou nám jaderná fúze odkrývá, je nicméně ohromná. Vědci upozorňují, že běžná sklenice deuteria s přídavkem tritia by mohla zásobovat rodinný dům energií po dobu jednoho roku.