La jadrová energia už desaťročia zohráva kľúčovú úlohu vo svetovom zásobovaní energiou. Avšak energia získaná z jadrová fúzia sľubuje ešte výraznejšiu zmenu v energetickom prostredí a ponúka prakticky nevyčerpateľný zdroj s minimálnymi emisiami rádioaktívneho odpadu. Napriek svojmu potenciálu je tento fantastický proces stále vo vývoji, keďže technologické a ekonomické ťažkosti nie sú zanedbateľné. Je to výzva, ktorú vedci na celom svete neustále skúmajú, aby sa jadrová fúzia jedného dňa stala realitou ako stabilný komerčný zdroj energie.
V tomto článku sa ponoríme do toho, čo je jadrová fúzia, jej výhody, výzvy, aby sa stala komerčným zdrojom, a jej význam pre globálnu energetickú budúcnosť.
Čo je to jadrová fúzia?
Jadrová fúzia je odlišný proces ako jadrové štiepenie, čo je mechanizmus používaný v súčasných jadrových elektrárňach. Zatiaľ čo štiepenie zahŕňa štiepenie ťažkých atómov, ako je urán a plutónium, fúzia zahŕňa spájanie ľahších jadier, ako sú atómy vodíka, za vzniku ťažšieho a stabilnejšieho. Výsledkom tohto spojenia sa uvoľňuje veľké množstvo energie vo forme tepla.
Doteraz najuskutočniteľnejším procesom je fúzia deutéria a trícia, dvoch izotopov vodíka, za vzniku hélia. Počas tejto reakcie sa tiež uvoľňujú častice, ako sú neutróny. V prípade fúzie deutéria a trícia sa pri každej fúznej reakcii uvoľní 17.6 MeV (miliónov elektrónvoltov). Táto energia je podstatne väčšia ako energia získaná pri štiepení jadra.
Jednou z hlavných výhod jadrovej fúzie je to, že deutérium možno extrahovať z morskej vody, čo ju robí takmer neobmedzenou, pokiaľ ide o dodávku paliva. Na druhej strane, trícium, hoci nie je také hojné ako deutérium, môže byť generované v samotných fúznych reaktoroch bombardovaním lítia neutrónmi.
Ako sa uskutočňuje jadrová fúzia?
Dosiahnutie jadrovej fúzie na Zemi zahŕňa reprodukciu extrémnych podmienok, podobných tým, ktoré sa vyskytujú v jadre hviezd. Aby sa atómové jadrá spojili, musia prekonať prirodzené elektrostatické odpudzovanie medzi sebou a na to potrebujú dosiahnuť teploty miliónov stupňov Celzia.
V experimentálnych reaktoroch, ako sú tokamaky a stelarátory, sa atómy zahrievajú na viac ako 100 miliónov stupňov, aby sa vytvorila dostatočná rýchlosť a energia na to, aby sa jadrá dostatočne priblížili k sebe a spojili sa. Pri týchto teplotách už hmota nie je v pevnom, kvapalnom alebo plynnom stave, ale v plazmovom stave, ide o ionizovaný plyn nabitých častíc.
Hlavným problémom fúzie je, že na Zemi neexistuje žiadny materiál, ktorý by zniesol také vysoké teploty bez toho, aby sa roztopil. Preto vo fúznych reaktoroch musí byť plazma obmedzená silnými magnetickými poľami, ktoré jej bránia dotýkať sa stien reaktora. Toto je prístup k magnetickému obmedzeniu, ktorý pozostáva z udržiavania plazmy v toroidnej (prstencovej) geometrii pomocou supravodivých magnetov.
Ďalším prístupom je inerciálne zadržiavanie, kde sa lasery alebo lúče častíc používajú na stlačenie malých puzdier deutéria-trícia na extrémne vysoké hustoty, čo spôsobuje, že častice sa spoja skôr, ako sa stihnú roztiahnuť. Pozoruhodným príkladom tohto prístupu je National Ignition Facility (NIF) v Spojených štátoch, ktorý dosiahol dôležité míľniky vo výskume inerciálnej fúzie.
Vedecké stratégie obmedzovania
Existujú dve hlavné techniky na dosiahnutie kontrolovanej jadrovej fúzie: magnetické obmedzenie a zotrvačné obmedzenie.
Magnetické uchytenie: Táto metóda je založená na použití silných magnetických polí na zadržanie horúcej plazmy. v reaktore tokamakNapríklad magnety v tvare toroidu sú zodpovedné za udržiavanie plazmy mimo stien reaktora, čo umožňuje, aby proces fúzie prebiehal bez príliš rýchleho ochladzovania plazmy.
Jednou z najväčších výziev tejto techniky je, že len zlomok častíc v plazme sa dokáže spojiť. Aby bola fúzia ekonomicky životaschopná, musí sa dosiahnuť viac ako 50 % účinnosť plazmy, tzv Lawsonovo kritérium. Hoci Slnko využíva gravitačné obmedzenie kvôli svojej obrovskej hmotnosti, na Zemi tieto tlaky nedokážeme replikovať, takže musíme dosiahnuť oveľa vyššie teploty.
Inerciálne obmedzenie: Namiesto zadržiavania plazmy magnetickými poľami inerciálne zadržiavanie navrhuje použitie laserov alebo lúčov častíc na stlačenie puzdier deutéria a trícia. Myšlienka je, že stlačením týchto kapsúl na extrémne vysoké hustoty a ich rýchlym zahriatím sa spustí fúzia skôr, ako sa častice môžu príliš pohybovať.
Oba prístupy majú svoje výhody a nevýhody a vedci naďalej skúmajú, ktorý prístup urobí fúzne reaktory komerčne životaschopnými.
Kedy bude komerčne životaschopný?
Napriek pokroku dosiahnutému v posledných desaťročiach je jadrová fúzia ešte niekoľko desaťročí vzdialená od komerčnej životaschopnosti. Odhaduje sa, že prvé komerčné reaktory jadrovej syntézy by bolo možné vidieť okolo roku 2050, hoci tento dátum do značnej miery závisí od technologického pokroku a pokračujúceho financovania výskumu.
Jedným z najsľubnejších projektov je však tzv ITERS (International Thermonuclear Experimental Reactor), medzinárodné úsilie, ktorého cieľom je demonštrovať technickú a vedeckú uskutočniteľnosť jadrovej fúzie prostredníctvom magnetického obmedzenia. Ak budú testy ITER úspešné, je nádej, že by to mohlo pripraviť pôdu pre vytvorenie komerčných reaktorov založených na fúzii.
Ďalším významným pokrokom bol vývoj vysokoteplotné supravodiče pre magnety používané vo fúznych reaktoroch. Výskumníci z MIT vyvinuli supravodivý magnet, ktorý generuje oveľa silnejšie magnetické polia ako tradičné magnety s oveľa nižšou spotrebou energie. Podľa štúdií by táto technológia mohla znížiť náklady na fúzne reaktory o faktor 40, čím by sa komerčná fúzia stala nielen životaschopnou, ale aj potenciálne konkurencieschopnou z hľadiska nákladov.
Aby sa fúzia stala realitou, je potrebný nielen vedecký prielom, ale aj širšia medzinárodná spolupráca a politický a finančný záväzok na podporu dlhodobého výskumu. Fusion má potenciál byť čistým, bezpečným a prakticky neobmedzeným zdrojom energie, vyžaduje si však trvalé investície a globálne koordinované úsilie.
Jadrová fúzia predstavuje obrovský energetický prísľub, ktorý by vyriešil mnohé z problémov, ktorým čelí naša civilizácia z hľadiska udržateľnosti a energetickej bezpečnosti. Vedecké, technické a logistické výzvy, ktorým táto technológia čelí, sú však obrovské. S postupujúcim výskumom sa dúfa, že v nadchádzajúcich desaťročiach sa fúzia konečne môže presunúť z laboratória a stať sa súčasťou svetového zásobovania energiou.