Svetové laboratóriá zaznamenali v posledných rokoch prelomové úspechy v oblasti jadrovej fúzie.
Pohľad do haly Kórejského inštitútu pre jadrovú fúziu na tokamak KSTAR. Zdroj: KSTAR
Obrovský pokrok potvrdzujú teplotné rekordy v Ázii, ale aj úspešné skrotenie plazmy v Európe. Nové technológie rýchlo približujú svet k ére čistej energie.
Jadrová fúzia je proces, ktorý poháňa hviezdy vrátane nášho Slnka. Vedci sa snažia tento jav napodobniť v pozemských podmienkach. Cieľom je získať bezpečný a bezuhlíkový zdroj elektriny. Základom je zohriatie paliva na milióny stupňov. Tým vznikne plazma, teda zmes nabitých častíc. Tento proces prebieha vo fúznych reaktoroch. Ide o špeciálne zariadenia navrhnuté na bezpečné ovládanie fúzie. Najznámejším typom takéhoto reaktora je takzvaný tokamak. Má tvar pripomínajúci americkú šišku (donut). Na udržanie extrémne horúcej plazmy využíva vo svojom vnútri silnú klietku z magnetických polí.
Termonukleárna fúzia, infografika. Zdroj: iStock.com/ser_igor
Extrémne teploty v kórejskom reaktore
Juhokórejský tokamak KSTAR, často prezývaný umelé slnko, nedávno prekonal svetový rekord. Udržal plazmu s teplotou 100 miliónov stupňov Celzia počas 48 sekúnd. Pre úspešnú fúziu je kľúčové udržať plazmu extrémne horúcu čo najdlhšie. Zariadenie využíva supravodivé magnety a nový volfrámový komponent. Tento diel sa nazýva divertor a funguje ako tepelný štít. Jeho úlohou je chrániť vnútorné steny reaktora pred roztavením z extrémnej horúčavy. Volfrám bol vybraný pre svoju obrovskú pevnosť a veľmi vysokú teplotu topenia. Vedci plánujú do roku 2026 udržať túto teplotu až 300 sekúnd.
Juhokórejský tokamak KSTAR. Zdroj: Wikipedia
Európsky rekord vo výrobe energie
Významný vedecký míľnik dosiahlo aj európske zariadenie JET v Spojenom kráľovstve. Výskumníci vytvorili rekord, keď počas šiestich sekúnd uvoľnili 69 megajoulov fúznej energie. Na tento výkon im stačilo len 0,21 miligramu paliva. Rovnaké množstvo energie by inak vzniklo spálením dvoch kilogramov uhlia. Reaktor JET bol výnimočný schopnosťou pracovať so zmesou deutéria a trícia. Ide o dva ťažšie druhy bežného vodíka. Spoločne majú tú najvyššiu schopnosť reagovať a vytvárať energiu. Väčšina dnešných výskumných reaktorov s týmto rádioaktívnym palivom nedokáže pracovať. Práve táto zmes však bude základom skutočných komerčných elektrární budúcnosti.
Ako skrotiť nepokojnú plazmu
Veľkou výzvou je udržať plazmu dlhodobo stabilnú. Nemecký experiment Wendelstein 7-X, ktorý patrí k reaktorom typu stelarátor, zaznamenal dôležitý úspech. Špičkové fúzne podmienky v reaktore sa podarilo udržať celých 43 sekúnd. Fyzici tento ideálny stav označujú ako takzvaný trojitý súčin. Aby fúzia fungovala a vyrábala prebytok energie, musia platiť tri veci. Plazma musí mať správnu hustotu častíc a obrovskú teplotu. Zároveň musí teplo ostať vnútri uväznené dostatočne dlho.
Výskumníkom v tomto prípade pomohlo nepretržité vstrekovanie vodíka priamo do plazmy. Funguje to vďaka špeciálnemu zariadeniu z USA. Tento prístroj tvorí tenké vlákno zmrazeného vodíka. Z neho následne odrezáva trojmilimetrové valčeky, takzvané pelety. Tie vystreľuje rýchlosťou stoviek metrov za sekundu priamo do horúcej plazmy. Reaktor tak neustále dostáva nové palivo presne v takom tempe, akým sa stíha zohrievať.
Medzinárodný tím v Inštitúte Maxa Plancka zároveň prvýkrát úplne presne namodeloval turbulencie v plazme. Turbulencie plazmu nežiaduco ochladzujú. Funguje to podobne, ako keď lyžičkou zamiešate horúcu kávu s mliekom. Kvapaliny sa premiešajú a nápoj oveľa rýchlejšie vychladne. Presné predpovedanie týchto vírov vďaka počítačovým simuláciám pomôže lepšie izolovať teplo. Zvýši sa tak celkový výkon budúcich zariadení.
Ďalšie kroky k fúznym elektrárňam
Všetky tieto experimenty dokazujú, že fyzici postupne prekonávajú najväčšie prekážky jadrovej fúzie. Úspechy z Južnej Kórey a európskych laboratórií slúžia ako priama príprava pre medzinárodný reaktor ITER vo Francúzsku. Tento obrovský výskumný projekt sa momentálne stavia a na svoju prevádzku sa iba pripravuje. Práve na ňom sa v blízkej budúcnosti otestujú všetky dnešné poznatky z menších zariadení. Jadrová fúzia tak pomaly prestáva byť teoretickou víziou. Stáva sa z nej reálna technologická cesta k dlhodobo udržateľnej energetike bez skleníkových plynov.
Zdroje: KSTAR, EUROfusion, World Economic Forum, MIT
(KAM)
