Jaderná fúze slibuje zelenou a nekonečně obnovitelné zásobování energie – pokud ji můžeme využít. Fusion se děje po celou dobu uvnitř slunce. Abychom však znovu vytvořili proces na Zemi, musíme ovládat neuvěřitelně horkou, chaotickou záležitost v nesmírně hustém stavu.
Po celém světě se testují prototypy několika různých návrhů fúzních reaktorů. Například Národní zařízení zapalování (NIF) v Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii používá lasery k vyvolání fúze v malé peletě paliva. Tokamaky, jako je mezinárodní termonukleární experimentální reaktor (ITER) ve Francii, používají elektromagnetická pole k omezení plazmy a zahřívají ji na teploty a hustoty nezbytné k zapálení fúze. A hvězdnéři, jako je experiment Wendelstein 7-X v Německu, přidávají k konceptu magnetického pole tokamaky zvraty.
Je příliš brzy na to, abychom řekli, zda některá z těchto technologií může překonat své výzvy, aby se stala spolehlivým zdrojem energie. Motivace k tomu, aby se to stalo, je však jasná. „Nezbytnost je matkou vynálezu,“ říká Laura Berzak Hopkins, ředitelka laboratoře na Princetonské plazmatické laboratoři ministerstva energetiky (PPPL). „Máme rostoucí energetické požadavky a měnící se klima a fúze je způsob, jakým můžeme tyto potřeby řešit.“
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
Co je to fúze?
Jaderná fúze je proces, kterým se spojují dva atomy, aby vytvořily větší atom (mínus trochu hmotnosti) plus energie.
K dosažení trvalé fúze musí atomy dosáhnout určité teploty a hustoty a musí zůstat v těchto státech delší dobu. Existují tři obecné způsoby, jak tyto podmínky splnit.
Cílem je získat více trvalé energie ze systému, než jde dovnitř.
Pokusy v roce 2022 na NIF – nejslavnější inerciální uvěznění Zařízení – Poskytnutí důkazu konceptu. Projekt uvolnil více fúzní energie než jeho lasery použité k vytvoření reakce, ale nabíjení těchto laserů vzniklo náklady na energii.
Nedávné experimenty pomocí Magnetické uvěznění také prokázali pokrok. Dva různé koncepty – Stellator a Tokamak – každý držel přehřáté plazmu při správném teplotách a hustotách téměř jednu minutu a dosáhl nových záznamů. Proč je to významné? Obsahující palivo pro trvalé časy je obrovská výzva. Abychom pochopili, pojďme se ponořit do příkladu.
Magnetické uvěznění
Reaktory Tokamak-například projekt Massive Iter, který je stále ve výstavbě-používají kontejner ve tvaru ořechu. Takto fungují:
1 • Odstraňte veškerý plyn z vakuové komory a poté nabijte magnetický systém kolem nádoby.
2 • Do vakua vstřikujte malé množství deuteria a tritiového plynu.
3 • Zapněte na cívku drátu nazývanou solenoid ve středu Tokamaku spusťte magnetické pole, které udržuje plyn obsažený. Spusťte výkonný elektrický proud nádobou. Tento proud snižuje elektrony z plynových částic, které se srazí s jinými částicemi, aby odstartovaly více elektronů. Atomy se stávají ionizovaným plynem zvaným plazma, ve kterém nabité částice sledují linie magnetického pole.
4 • Zahřejte plazmu na termonukleární teploty (150 milionů stupňů Celsia) injekcí elektromagnetického záření a paprsků vysokoenergetických neutrálních atomů.
5 • Jak teplota stoupá, hustota a energie v plazmě se zvyšují, což způsobuje, že částice srazí a zahájí fúzi. Část energie uvolněné z každé reakce se používá k zahřívání dalšího příchozího paliva a udržování fúze. Cílem je poté přenést většinu tepla z reaktoru a použít jej k výrobě elektřiny například pomocí parních turbín.
Jaký je problém?
Tento proces se zdá být přímočarý. Tak proč je to tak obtížné?
Když je ponechána na vlastních zařízeních, plazma je turbulentní, s kapsami teplotních variací, které vytvářejí proudy konvekcí. Tato turbulence také pohybuje teplo z plazmatického jádra k okraji a tlumí fúzní reakce.
Vědci chtějí povzbudit kolize mezi částicemi v plazmě, aby podpořily fúzi, ale musí se také vyhnout srážkám částic samotným hardwarem reaktoru. Výkonná magnetická pole řídí plazmu kolem koblihy zhruba kruhovou cestou.
Ale bližší pohled ukazuje, že trajektorie částic nejsou tak jednoduché. Různé plazmové tvary mají výhody a nevýhody při maximalizaci teploty a hustoty. V rámci suspendované plazmy uvnitř tokamaku se částice pohybují ve dvou obecných vzorcích: helikální pohyb (nazývaný iontový gyro pohyb) a cestou ve tvaru banánu.
Různé tvary a velikosti reaktoru mají za následek různé trajektorie plazmy a mají různé výhody a nevýhody.
Všechny tokamaky omezují plazmu pomocí centrálního elektrického proudu, který může ztěžovat fúzní reakce. Tradiční tokamaky ve tvaru horka mít více prostoru uprostřed. Tento prostor vytváří prostor pro chránění centrální elektromagnetu od tepla plazmy.
Sférické tokamaky-jako národní sférický experiment s kulovitým Torusem PPPL-má užší centrální oblasti než tradiční tokamaky. Jsou kompaktnější, mohou efektivněji omezit plazmatické částice a mohou být ekonomičtější stavět. Menší centrální oblast však vyžaduje hubenější centrální elektromagnet, který může ztěžovat tvorbu plazmatického proudu.
Stellarátořikteré mají zkroucený tvar, nevyžadují centrální proud, aby udržoval trajektorie plazmy pod kontrolou. Magnety podél stěny vinutí tunelu dělají trik. Ale dostat se na teplotu může být složité.
Protože naše požadavky na energii jsou vysoké a vyšší, je pravděpodobné, že existuje prostor pro úspěch více modelů. „Jsem přesvědčen, že potřebujeme fúzi,“ říká Berzak Hopkins PPPL: „Takže si to velmi jisti, že vyřešíme fúzi.“
