08. 02. 2023
|
emovio.cz logo

Zařízení na výzkum jaderných zbraní se zapsalo do dějin hledání čisté energie

Pohled do komory zařízení NIF, konkrétně na "trn", na jeho konci bývá uchycen ostřelovaný terč. (foto NIF/ volné dílo)

Zařízení primárně určené k výzkumu jaderných zbraní v prosinci letošního roku dosáhlo rekordního výsledku ve výzkumu jaderné fúze.

V Kalifornii stojící zařízení NIF (National Ignition Facility) představuje světový unikát. Jde o jeden z největších laserových systémů na světě. Navíc jde o jediný laser na světě postavený tak, aby vytvářel termojaderné „minivýbuchy“.

NIF vzniklo z federálních prostředků a velkou část svého času produkuje malé exploze, které mají umožnit lepší design jaderných zbraní. Ale slouží například také k materiálovému výzkumu – a také výzkumu termojaderné fúze jako možného zdroje energie.

V tomto ohledu se na zařízení 5. prosince 2022 podařilo dosáhnout opravdu revolučního výsledku. Během miniaturního termonukleárního výbuchu ve speciální komoře uvolnilo více energie, než bylo vynaloženo na zažehnutí exploze. Konkrétně se při výbuchu uvolnilo 1,5krát více energie, než kolik ji do komory dodaly reakci „zapalující“ lasery.

V konkrétních číslech se tedy uvolnilo 3,6 megajoulu (MJ). Lasery přitom do komory přinesly celkem 2,1 MJ. Pro srovnání a pro ilustraci toho, že jde stále o základní výzkum, dodejme, že výhřevnost litru benzinu se pohybuje kolem 30 megajoulů. Šlo tedy o relativně malý „výbuch“ a z hlediska běžné energetiky naprosto triviální energie.

Plyn těžší než olovo

Jak se mohlo uvolnit více energie, než kolik do komory vlétlo? Díky tomu, že se podařilo „zapálit“ terč, na který lasery míří. Ne ovšem v běžném slova smyslu, nýbrž ve smyslu fúzního zapálení. V terči po krátkou dobu (nanosekundy) vznikly tak extrémní podmínky, že tu začala probíhat stejná reakce jako v jádru hvězd. Tedy slučování jader, které vede k uvolnění energie.

Při popisu průběhu reakce si pomůžu jiným svým textem: 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), který je vysoký zhruba centimetr. Lasery ho zahřejí tak prudce, že se tento „kryt“ odpaří za vzniku rentgenového záření. Právě toto záření pak začne působit na 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.

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 3,6 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 0,85 procenta vstupní energie. O elektrárně tedy zatím nemůže být stále ani řeč – a to i kdyby dnes šlo už postavit lasery zhruba desetkrát účinnější.

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. „Inerciální fúzi“ se totiž zatím věnovala poměrně malá pozornost, a NIF je jediné zařízení na světě, které může na této úrovni zkoumat.

Mnohem větší pozornost se v posledních desetiletích věnovala „konkurenční“ technologii tzv. magnetického udržení. Tedy v podstatě zařízení, která žhavé plazma mají uzavřít do silného magnetického pole a z tepla produkovaného plazmatem vyrábět kontinuálně elektřinu (úplně kontinutálně to zatím nejde, ale to by bylo na delší text).

V případě „magnetického udržení“ se již také podařilo dosáhnout „zapálení“ plazmatu, což odborníci považují za signál, že vývoj je na správné cestě a většina problémů už je vyřešena. Praktické nasazení (tedy třeba spuštění první elektrárny) je i tak v nejlepším případě několik desetiletí vzdáleno. Pořád jde o novou technologii, jejíž vývoj se střetává s technickými obtížemi například při výrobě dílů samotných reaktorů.

Spojením k energii

  • Jaderná či nukleární fúze je typ jaderné reakce, při které dochází ke slučování atomových jader lehčích prvků v jádra těžších prvků a zároveň k uvolnění energie. Termojaderná fúze probíhající za vysokých teplot je zdrojem energie většiny hvězd včetně Slunce. Jaderná fúze je v principu opakem štěpení jader těžkých prvků.
  • Proti slučování jader působí odpudivá elektrická interakce (obě jádra jsou kladně nabitá). Dostanou-li se však lehká jádra dostatečně blízko k sobě, aby překonala Coulombovu bariéru, převládne nad elektrickou silou přitažlivá jaderná síla a obě jádra se sloučí. Rozdíl mezi klidovými hmotnostmi jader před a po sloučení se uvolní ve formě energie.
  • Jedním ze způsobů, jak může fúze probíhat, je působení vysoké teploty a tlaku, kdy do sebe jádra mohou narazit s dostatečnou energií k překonání coulombovské bariéry. V tom případě mluvíme o termonukleární fúzi.
  • V jádru Slunce a dalších menších hvězd hlavní posloupnosti probíhá takzvaný proton-protonový cyklus, kdy se slučují samotné protony (jádra vodíku) na helium. U větších hvězd ke stejné proměně dochází cyklem C-N-O.
  • Ve starších hvězdách dále dochází k 3-alfa reakci, kdy se protonovým cyklem vytvořené helium přeměňuje na uhlík. Ve větších hvězdách pak fúzemi vznikají i další prvky jako je neon, kyslík nebo křemík. Nejtěžší prvek vznikající ve hvězdách termonukleární fúzí je železo, které má příliš silné vazby (fúze energii neprodukuje, ale spotřebovává) a při jeho nahromadění dochází ke gravitačnímu kolapsu a explozi supernovy. Těžší prvky ve vesmíru vznikají jinými typy nukleosyntézy, například při této explozi.
  • Snaha po využití jaderné fúze jako zdroj energie je předmětem bádání, jehož cílem je vytvořit fúzní reaktor. K tomuto zkoumání slouží zejména tokamaky a stelarátory.
  • Jednorázovou jadernou fúzní reakci není těžké vyvolat (lze jí dosáhnout např. elektrickým výbojem[1]), je ale obtížné udržet ji v reaktoru po delší dobu a zajistit kladnou bilanci získané energie ku dodané.
  • Reakce teoreticky použitelná pro výrobu energie na Zemi je syntéza deuteria a tritia: D + T4He + n
  • Deuterium je v přírodě běžně se vyskytující izotop vodíku. Ve svém jádře obsahuje jeden proton a jeden neutron. Tritium je izotop vodíku, který oproti deuteriu obsahuje ještě jeden neutron navíc. Vyskytuje se velmi vzácně, protože jeho poločas rozpadu je 12 let.

Podobné články

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Oblíbené články

Témata