Dostatek energie bez velkého znečišťování planety? To slibují vědci věnující se jaderné fúzi. Jaderná fúze představuje v podstatě nekonečný zdroj čisté energie. V budoucnu by mohla nahradit veškerou energii z jiných zdrojů. Vědci ji občas nazývají i „svatým grálem“, možná právě proto, že na principu fúze funguje zdroj energie všech hvězd, včetně našeho slunce.
Co to je?
Na rozdíl od jaderného štěpení, při kterém dochází k rozdělování jader atomu těžších prvků, jde při jaderné fúzi naopak o spojení jader atomů lehčích prvků do těžších (jaderné štěpení jádra rozděluje, jaderná fúze je naopak spojuje). Přesto, že je u obou procesů potřeba velký tlak, jsou si naprostým opakem, jak samotným průběhem, tak i potřebnou teplotou (u štěpení se pohybujeme okolo 600 stupňů celsia, kdežto u fúze okolo 100 milionů).
Proč je pro nás jaderná fúze tak důležitá?
Po dalších vylepšeních by mohla jaderná fúze produkovat čtyřikrát více energie na jeden kilogram paliva než jaderné štěpení a přibližně milionkrát více než při pálení oleje či uhlí. Využití pár gramů deuteria a tritia (níže konkrétněji popsané) by teoreticky mohlo vyprodukovat až terajoule energie, což je množství energie, které ve vyspělé zemi potřebuje jeden člověk přibližně na 60 let. Fúze navíc neprodukuje žádné skleníkové plyny, ale narozdíl od štěpení produkuje méně radioaktivního odpadu, který přijde o svou radiaci mnohem dříve než odpad vyprodukovaný při štěpení. Také samotný proces je u fúze bezpečnější než u štěpení, protože je tak komplikovaný, že pokud by došlo k poruše, proces automaticky skončí.
Jak vypadá proces samotný?
Za nejnadějnější cestu k realizaci řízené jaderné fúze se dnes považují tokamaky. Tokamak je zařízení, uvnitř kterého se vytváří neuvěřitelně silné magnetické pole, ve kterém se udržuje horká plazma (magnetické pole zabraňuje doteku plazmatu se stěnami tokamaku). V tomto zařízení se daří přinutit částice, aby překonaly odpudivou bariéru, a toho lze dosáhnout jejich setkáním za stejných rychlostí. Nejefektivnějším způsobem je ohřátí paliva na velmi vysokou teplotu (v dnešní době lze v tokamaku dosáhnout teploty až 150 milionů stupňů celsia, což je desetkrát vyšší teplota než je v samotném jádru slunce, vyšší teplotou se dá vynahradit obrovský tlak, který na Zemi vyvinout nedokážeme). Při tomto procesu se nejčastěji používá deuterium a tritium. Tyto izotopy vodíku po fúzi nechají vzniknout jak jádru hélia a neutronu, tak i energii. Deuterium (obsahující jeden proton a jeden neutron) můžeme snadno získat například z mořské vody. Tritium (obsahující jeden proton a dva neutrony) je obsaženo zase ve vrchních vrstvách zemské atmosféry, ale i v obyčejné vodě.
Myšlenka tokamaku se zrodila již v 50. letech pomocí dvou sovětských fyziků. Roku 1958 byl v Rusku uveden do provozu první tokamak, na Rusko hned vzápětí navázala Anglie. Oba tyto tokamaky dosáhly rekordů v oboru fúzní energie v devadesátých letech, což vedlo k dalším výzkumům a experimentům po celém světě.
Historie vývoje
Poprvé byla teorie jaderné fúze pochopena lidstvem ve třicátých letech dvacátého století a od té doby se jí vědci snaží vylepšit a převést ji do praktického využití.
První bomba založená na jaderné fúzi byla vytvořena roku 1952. O osm let později publikoval John Nuckolls koncept ICF (inertial confinement fusion – inerciální fúze), což je koncept fúzního energetického procesu za použití laseru, který se částečně používá dodnes. Roku 1961 uspořádala IAEA (International Atomic Energy Agency) první celosvětovou konferenci o fúzní energii a od roku 1974 se už koná pravidelně každé dva roky.
Nejnovější pokrok
V úterý 13. prosince roku 2022 potvrdili vědci z LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) v Kalifornii překročení velkého milníku ve vývoji jaderné fúze. Poprvé se podařilo vyprodukovat fúzí větší množství energie, než bylo na proces spotřebováno. Tento rekord nebyl vytvořen v tokamaku, ale v komoře jemu podobné, jen místo magnetického pole byl na stlačení paliva (kuličky ve zlaté kapsli) použit nejsilnější laser, který byl rozdělen do 192 svazků a následně soustředěn na jedno místo. Přesto by stačila pouze na uvaření vody v přibližně patnácti až dvaceti varných konvích a vědci po celém světě to považují za velký průlom (množství vyprodukované energie se však už nevyrovnalo energii využité na výrobu použitého laseru). Tento experiment stál miliardy dolarů, ale naděje budoucnosti s čistou energií pobízí k překonávání dosavadních úspěchů.
Plány do budoucna
V roce 2020 byl na shromáždění ve Francii představen projekt ITER – projekt připravovaného dosud největšího tokamaku a fúzních elektráren pod názvem DEMOs. ITER slibuje zahájení experimentů s plným výkonem v roce 2036. Mezi odborníky ale panuje shoda, že do roku 2050 by mohla být postavena a uvedena do provozu první fúzní elektrárna. Naopak některé soukromé komerční podniky čerpající z dat získaných během let veřejně financovaného výzkumu mluví dokonce o dřívějším využití fúzní energie.
zdroje:
https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition
https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-nuclear-fusion
https://www.bbc.com/news/science-environment-63950962
https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-a-tokamak
https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion
https://www.energy.gov/science/doe-explainstokamaks
Grafička. Odjede na slonovi a vrátí se až k obědovi – aspoň jednou za měsíc.