Článek
Noviny Financial Times přišly se zajímavou zákulisní vědeckou novinkou. Podle jejich zprávy se americkému zařízení NIF (National Ignition Facility) podařilo dosáhnout zatím nejlepších výsledků ve zkoumání jaderné fúze.
V experimentu, který proběhl někdy během posledních dvou týdnů, se uvolnilo více energie, než kolik se jí na spuštění reakce vynaložilo – i když záleží na tom, jak to vlastně počítáte.
NIF slouží primárně pro účely vojenského výzkumu, konkrétně modelování a design jaderných zbraní. Menší část času se ovšem věnuje výzkumu fúze jako možného zdroje energie.
Už při spuštění NIF před zhruba 13 lety se očekávalo, že se v zařízení podaří dosáhnout energeticky „ziskového“ experimentu. Tedy že se v něm během miniaturního termonukleárního výbuchu ve speciální komoře uvolní více energie, než se investuje do jeho zapálení. Ale dlouhé roky se to nedařilo.
Díky postupnému vylepšování zařízení vědci tuto metu pokořili. Už v roce 2021 během pokusů „výbuchy“ v komoře uvolnily několikanásobně více energie, než kolik jí terč pohltil.
Nově se pak podařilo tuto hranici ještě posunout – při výbuchu se údajně uvolnilo více energie, než kolik jí vyzáří lasery „zapalující“ fúzi. Podle zdrojů Financial Times fúzní reakce v americkém vládním zařízení vyprodukovala asi 2,5 megajoulu (MJ) energie, energie uvolněná lasery byla pouze 2,1 megajoulu. Pro srovnání – výhřevnost litru benzinu se pohybuje kolem 30 megajoulů.
Ve výsledku se tedy při reakci uvolnilo zhruba o 20 procent energie více, než kolik bylo k jejímu zapálení zapotřebí, uvedli pro americké noviny lidé obeznámení s průběhem pokusů. Tento údaj je nutné považovat za přibližný, přesnějšího výsledku se teprve dočkáme po přesném odečtení výsledků ze senzorů v komoře.
Přesněji bychom to mohli vědět během dneška. Americké ministerstvo energetiky uvedlo, že ministryně energetiky Jennifer Granholmová a náměstkyně ministra pro jadernou bezpečnost Jill Hrubyová oznámí v úterý v Lawrence Livermore National Laboratory „významný vědecký průlom“. Ministerstvo se k tomu odmítlo pro Financial Times blíže vyjádřit, ale nikdo také zatím nepopřel, že se konference bude týkat právě tohoto tématu.
Samotná NIF zatím novinářům pouze potvrdila, že v nedávné době proběhl úspěšný experiment. Dodala ovšem, že analýza výsledků stále probíhá.
„První diagnostické údaje naznačují další úspěšný experiment v National Ignition Facility. Přesné množství uvolněné energie se stále zjišťuje a v tuto chvíli nemůžeme potvrdit, že pokus byl (energeticky) ziskový,“ uvedlo tiskové oddělení.
Dva zdroje obeznámené s průběžnými výsledky měření pro Financial Times ovšem uvedly, že během pokusu se uvolnilo více energie, než předpokládaly simulace. Došlo tak údajně k poškození některých diagnostických zařízení, což zkomplikovalo měření.
Kapka plynu jako z olova
Jak to celé funguje? Zařízení NIF je založeno na principu „inerciální fúze“, který je vlastně podobný jako u vodíkové pumy. Palivo pro reakci se musí stlačit a zahřát tak rychle, aby v něm fúze proběhla dříve, než ho tlak a teplota roztrhnou. Úniku zabraňuje setrvačnost (tj. inerce) paliva.
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.
V samotném jádru NIF se dosahuje miniaturních „termonukleárních výbuchů“ intenzivním ozářením zmrzlé směsi dvou různých „druhů“ vodíku (tedy izotopů deuteria a tritia). Terč má velikost zrnka pepře a hmotnost několika miligramů. Ozáření obstarává velmi intenzivní svazek mohutného laseru rozdělený do 192 paprsků tak, aby terč byl rovnoměrně zasažen ze všech stran.
Lasery přitom necílí přímo na ten zmíněný terč, ale na speciálně navržený kryt (tzv. hohlraum). Lasery ho zahřejí tak prudce, že se kryt odpaří za vzniku rentgenového záření. Právě toto záření pak stlačí zmíněný terč ze zmrzlých izotopů vodíku.
Zásah hmotu terče extrémně ohřeje a zároveň stlačí: v terči vznikne rázová vlna, která se pohybuje rychlostí zhruba 400 kilometrů za sekundu. Na několik nanosekund tak uprostřed komory existuje žhavé plazma (tj. extrémně zahřátý plyn) s hustotou podobnou olovu a o teplotě několika desítek milionů stupňů (tj. zhruba desetkrát vyšší než v jádru Slunce).
Nezvyklé podmínky vydrží pouze krátce, po tuto dobu ovšem v terči probíhají procesy podobné jako v jádru hvězd: jádra jednodušších prvků se spojují do složitějších a při tom se uvolňuje energie. A jak vidno, i za tak krátkou chvilku tak dokáže vzniknout poměrně velké množství.
Terč, který byl použit při úspěšném pokusu o zapálení plazmatu v roce 2021.
Kolik energie?
Důležité je, že se v NIF v posledních pokusech povedlo dosáhnout stavu, kdy plazma vyrábělo dostatek energie, aby se samo udrželo dostatečně „horké“ – a dokonce dost na to, aby reakce postupně sílila (tedy po těch pár nanosekund, než se rozletí na všechny strany, čemuž se nedá zabránit). Proto se mluví o „zapálení“ plazmatu.
Uvažuje se tedy, že někdy v budoucnosti by na tomto principu mohly vznikat elektrárny, které fungují trochu jako „spalovací motor“, v němž pravidelně dochází k řízeným malým fúzním explozím. Mohly by sloužit pro pohon kosmických lodí nebo jako náhrada plynových elektráren, které je možné rychle zapnout a zase vypnout.
Ovšem to je všechno poměrně daleko. Ve skutečnosti zatím tento princip není téměř vyzkoušen. NIF je první zařízení svého druhu, a jak jsme říkali, je velmi neúčinné. Byť se „energetický zisk“ celé operace zdá na pohled velmi zajímavý, NIF je velmi komplikované zařízení. Ostatně je navrženo primárně pro účely vojenského výzkumu.
Jeden zmíněný výbuch miligramového terče vyprodukoval 2,5 MJ. Po převodu na stejné jednotky je na provoz laserového systému NIF zapotřebí zhruba 420 MJ. Takže měřeno od „přípojky k výstupu“ se při rekordním termojaderném minivýbuchu uvolnilo zřejmě jen zhruba 0,5 procenta vstupní energie. O elektrárně tedy zatím nemůže být stále ani řeč – a to i kdyby dnes šlo už postavit lasery zhruba desetkrát účinnější.
Jak na fúzi
Princip slučování jader, tedy jaderné fúze, není složitý: V reaktoru dochází ke sloučení dvou jader atomů do jednoho jádra těžšího atomu. V praxi jde však o velmi složitý problém, protože slučování jader lze částečně přirovnat ke snaze přiblížit dva magnety stejnými póly k sobě.
Schéma jaderné fúze.
Dvě jádra s kladným nábojem se odpuzují a až po překonání odpudivé síly a vzájemném přiblížení jader na velmi malou vzdálenost převládne přitažlivá síla a jádra se mohou sloučit na jádro těžší (např. jádro helia) za produkce velkého množství energie.
Aby bylo možné této reakce dosáhnout, je nutné hmotu zahřát na extrémní teploty, kde se přemění na tzv. plazma. Na Slunci pomáhá horké plazma držet gravitační síla, která zajišťuje vhodnou kombinaci extrémní hustoty (fúze probíhá v jeho středu, ne u povrchu) a vysokých teplot, tj. rychlosti samotných jader.
Na Zemi nelze využít k tomuto účelu gravitační sílu, a tak se využívá pro udržení a izolaci plazmatu silné magnetické pole, které však nedokáže zajistit tak vysoké hustoty jako v centru Slunce. Proto je plánem dosáhnout výrazně vyšších teplot. Ve stavěném tokamaku ITER má teplota plazmatu dosahovat až 150 milionů stupňů, což je desetinásobek hodnoty ve středu Slunce.
K tomu dodejme, že proces není efektivní ani ve směru od laseru k terči. Jak jsme říkali, celková energie vyzářená lasery je zhruba 2,1 MJ. Samotný malý terč ovšem zasáhne zhruba jedno procento z této energie. Většina (cca 90 procent) se „ztratí“ při přeměně laseru na rentgenové záření, zbytek pak prostě cíl mine (tj. nemíří do prostoru terče).
Přímo v terči probíhající reakce je tedy vysoce „zisková“ a uvolní se při ní stokrát více energie, než kolik se k terči vlastně dostane.
Nové výsledky jsou rozhodně zajímavé a posunují poznání v této oblasti, stále jde ovšem pouze o základní výzkum, který má k praktické aplikaci daleko.
Nejblíže k praktickému využití tohoto zdroje energie má „konkurenční“ technologie tzv. magnetického udržení. Tedy v podstatě zařízení, která žhavé plazma mají uzavřít do silného magnetického pole a z tepla produkovaného plazmatem vyrábět kontinuálně elektřinu.
Přestože „magnetické udržení“ je mnohem lépe prozkoumané. V jeho případě se také podařilo už dosáhnout „zapálení“ plazmatu. I tento nedávný úspěch nasvědčuje tomu, že výzkum a vývoj jsou na správné cestě a většina problémů už je vyřešena.
I tak je praktické nasazení (spuštění první elektrárny) v nejlepším případě několik desetiletí vzdáleno. Pořád jde o novou technologii, jejíž vývoj se střetává s technickými obtížemi například při výrobě dílů samotných reaktorů.
