Kórejskí vedci udržali jadrovú fúznu reakciu na teplote viac ako 100 miliónov stupňov Celzia počas 30 sekúnd.
Energia získaná prostredníctvom jadrovej fúzie. Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphoto.com
Jadrová fúzia je proces, pri ktorom sa spravidla dve ľahké atómové jadrá spájajú do jedného ťažšieho, pričom sa uvoľňuje obrovské množstvo energie. Túto energiu tvorí horúci plyn pozostávajúci z kladných iónov a voľne sa pohybujúcich elektrónov s jedinečnými vlastnosťami, ktoré sa odlišujú od vlastností pevných látok, kvapalín alebo plynov – vysvetľuje Medzinárodná agentúra pre atómovú energiu (IAEA). Ide o opačný proces, ako sa odohráva pri štiepení jadra. Kým pri jadrovej fúzii sa atómové jadrá spájajú, pri jadrovom štiepení sa atóm delí na dve alebo viaceré časti.
Jadrová fúzia je vo vesmíre prirodzená, poháňa hviezdy vrátane Slnka. S jej teóriou prišiel britský astrofyzik Arthur Eddington v tridsiatych rokoch 20. storočia a odvtedy sa vedci snažia nájsť spôsob, ako ju využiť v priemyselnom meradle.
Vidina lacnej energie
Jadrová fúzia by totiž mohla poskytnúť prakticky neobmedzenú čistú, bezpečnú a cenovo dostupnú energiu pre celý svet. Dokázala by generovať štyrikrát viac energie na kilogram paliva ako štiepenie (používané v jadrových elektrárňach) a takmer štyrimiliónkrát viac energie, ako získavame spaľovaním ropy alebo uhlia. Problém je, že zatiaľ všetky experimentálne zariadenia na jej výrobu viac energie spotrebujú ako vyrobia.
Významný vedecký magazín Nature uverejnil 7. septembra 2022 štúdiu kórejských vedcov o dosiahnutí fúznej reakcie v kórejskom tokamaku KSTAR, ktorú udržali na teplote viac ako 100 miliónov stupňov Celzia počas 30 sekúnd. Raritou pritom nie sú samotná teplota ani samotná časová hodnota, ale ich kombinácia.
KSTAR – Kórejský inštitút pre jadrovú fúziu. Zdroj: KSTAR
Čo bolo kľúčom úspechu
Ostatné vedecké tímy doposiaľ buď generovali podobné teploty, alebo udržiavali fúzne reakcie v podobnom čase, ale toto je prvýkrát, čo sa obe dosiahli v jednej reakcii.
Kľúčom bola nízka hustota a energetickejšie ióny v jadre plazmy – takzvané zrýchlenie regulované rýchlymi iónmi (FIRE), pri ktorom sa zvýšila teplota v jadre plazmy a znížila sa na okrajoch. Avšak tím priznáva, že príslušným mechanizmom ešte úplne nerozumie.
Fúzna reakcia bola zastavená po pol minúte iba kvôli obmedzeniam hardvéru, ale v budúcnosti by sa mala dať udržať na dlhšie. KSTAR sa teraz odstavil z dôvodu modernizácie.
Ostáva prekonať technické prekážky
Popularizačno-vedecký portál New Scientist v súvislosti s týmto úspechom cituje inžiniera Lee Margettsa z Britskej vládnej výskumnej organizácie zodpovednej za vývoj energie jadrovou fúziou (UKAEA): „Fyzika fúznych reaktorov sa stáva dobre pochopenou, ale pred vybudovaním fungujúcej elektrárne treba prekonať technické prekážky. Súčasťou toho bude vývoj metód na odoberanie tepla z reaktora a jeho využitie na generovanie elektrického prúdu. To už nie je fyzika, ale inžinierstvo,“ hovorí.
Víziu využitia jadrovej fúzie sa usilujú premeniť na realitu vedecké tímy po celom svete. Výskum jadrovej fúzie a fyziky plazmy prebieha vo vyše päťdesiatich krajinách a fúzne reakcie sa úspešne uskutočnili v mnohých experimentoch, aj keď doteraz nevygenerovali viac energie, ako bolo potrebné na spustenie reakčného procesu.
Odborníci prišli s rôznymi dizajnmi a strojmi založenými na magnetoch, v ktorých prebieha fúzia, ako sú stelarátory a tokamaky, no i s prístupmi, ktoré sa spoliehajú na lasery, lineárne zariadenia a pokročilé palivá.
Najznámejšie projekty tohto druhu
Najväčším projektom tohto druhu je Medzinárodný termonukleárny experimentálny reaktor (ITER), na ktorom spolupracujú Európska únia, India, Japonsko, Čína, Južná Kórea aj Spojené štáty americké. Stavia sa vo Francúzsku a jeho dokončenie sa plánuje na rok 2025, kým na plný výkon by mal pracovať v roku 2035.
Čína má okrem toho vlastný testovací reaktor jadrovej fúzie CFETR, Južná Kórea má už spomínaný KSTAR, Európska únia v spolupráci s Veľkou Britániou majú v Spojenom kráľovstve umiestnený JET, ktorý je zatiaľ najvýkonnejším experimentálnym reaktorom na svete a zároveň slúži ako testovacie zariadenie pre už spomínaný ITER.
Aj JET zaznamenal pokrok pri dosahovaní jadrovej fúzie, ktorý oznámili začiatkom februára tohto roka (2022). Prekonal vtedy svoj vlastný rekord v množstve energie získanej stláčaním dvoch foriem vodíka – informoval o tom spravodajský portál BBS news.
Počas experimentov JET vyprodukoval 59 megajoulov energie za päť sekúnd (11 megawattov energie), viac ako dvojnásobok toho, čo sa dosiahlo v podobných testoch v roku 1997.
Nie je to obrovský energetický výdaj, stačí len na uvarenie vody pre zhruba 60 kanvíc. Dôležité však je, že potvrdzuje konštrukčné rozhodnutia, ktoré boli urobené pre ITER, teda už spomínaný ešte väčší fúzny reaktor.
Môže nás zbaviť závislosti od fosílnych palív
Výroba energie prostredníctvom jadrovej fúzie sa zatiaľ javí ako jedno z najperspektívnejších riešení pri znižovaní našej závislosti od fosílnych palív, keďže fúzne reaktory nevytvárajú žiadne emisie oxidu uhličitého. Fyzička Ursel Fantzová, ktorá sa na vývoji INTER-u podieľa, v rozhovor pre denník SME vysvetľuje, že jej výhodou je taktiež minimálna úroveň radiácie (nachádza sa v nich síce rádioaktívne trícium, ale len pár miligramov) a žiaden nebezpečný odpad (ak by aj došlo k explózii, unikla by iba plazma).
Podľa portálu ITER-u fyzika a technológia, ktorá sa používa vo fúznych reaktoroch, znemožňuje jadrové štiepenie alebo výbuch. Vo fúznom reaktore bude v každom okamihu len obmedzené množstvo paliva, ktoré predstavuje menej ako štyri gramy.
Zdroje: IAEA, Nature (DOI: 10.1038/s41586-022-05008-1), New Scientist, ITER, JET, BBC news, Scienceworld.cz, CEIAS, SME
