Jadrová fúzia Prelomový objav alebo veľa kriku pre nič?

Tento týždeň obehla svet správa, že vedcom v kalifornskom laboratóriu Lawrence Livermore National Labs sa prvýkrát podarilo pomocou fúznej reakcie vyrobiť viac energie, ako do jej výroby vložili.

Napriek nespochybniteľnému prelomu však stojí na ceste k praktickej využiteľnosti fúznych reaktorov ešte mnoho prekážok.

Čo sa vlastne udialo

Experiment, ktorý sa uskutočnil 5. decembra a tento týždeň ho potvrdilo americké ministerstvo energetiky, vytvoril 2,5 megajoulu energie v porovnaní s 2,05 megajoulu, ktoré sa použili na spustenie fúzie.

Vyrobená energia sa rovná 695 watthodinám, čo je menej ako kWh, štandardná merná jednotka bežnej spotreby. Už z tohto výsledku sa môže zdať, že ide o veľa kriku pre nič.

Zásadné sú však iné ukazovatele ako množstvo energie, ktoré sa získalo z prvého „plusového“ pokusu.

Hoci sa už udialo niekoľko pokusov s jadrovou fúziou, tento konkrétny je jedinečný aj iným spôsobom.

Kalifornský reaktor nepoužíva magnetické uväznenie plazmy ako reaktor Tokamak, ktorý opíšeme nižšie. Namiesto toho dosahuje fúznu reakciu zaostrením silného lasera na malú palivovú peletu zloženú z deutéria a trícia, čo sú izotopy vodíka. Peleta následne imploduje a v jadre vytvorí vhodné podmienky na jadrovú fúziu.

Toto zariadenie „presne smeruje, zosilňuje, odráža a zameriava 192 výkonných laserových lúčov na cieľ v približnej veľkosti ako guma na ceruzke, celý proces trvá niekoľko miliardtín sekundy“.

Na to, aby sa týmto spôsobom dala kontinuálne vyrábať elektrina, by však bolo potrebné toto „ostreľovanie“ lasermi opakovať mnohokrát za sekundu pri neustálom dopĺňaní paliva, teda zmesi izotopov vodíka.

Výzva pre materiálových inžinierov

Ďalší problém, ktorý pri fúznej reakcii vzniká, je potreba vysokej teploty, aby sa vytvorila plazma – teda štvrté skupenstvo hmoty.

Princíp fúznej reakcie, ktorý sa ľudstvo snaží vytvoriť, je de facto kópiou procesu, ktorý prebieha v jadrách hviezd vrátane nášho slnka. Tam sa pri vysokých teplotách a tlaku zlučujú atómy vodíka, z ktorých vzniká hélium, a pri tomto procese sa uvoľňuje energia.

Okrem toho, že je nemožné postaviť reaktor, v ktorom by sme dokázali napodobniť zlučovanie jednoduchého vodíka, a preto potrebujeme jeho izotopy, práve vysoká teplota a tlak predstavujú technický problém, ktorý potrebujeme vyriešiť.

Neexistuje materiál, ktorý by dokázal vydržať teplotu desaťkrát vyššiu, ako je v jadre Slnka. Keďže nedokážeme postaviť reaktor vo veľkosti hviezdneho jadra, treba podmienky napodobniť vyššou teplotou.

Popri aktuálne úspešnom pokuse je najpokročilejšou technológiou reaktor typu Tokamak, ktorý plazmu s teplotou 100 miliónov stupňov udržiava pomocou silného magnetického poľa mimo kontaktu s akýmkoľvek materiálom, z ktorého je reaktor postavený.

Pri zlučovaní atómov vodíka, uvoľnení energie a vytvorení atómov hélia totiž unikajú aj voľné neutróny s vysokou kinetickou energiou. Tie už magnetické pole nedokáže udržať a pri dlhodobom bombardovaní, ktoré by bolo súčasťou kontinuálnej produkcie energie, by nevyhnutne dochádzalo k materiálovému poškodzovaniu reaktora.

Okrem problému, ktorý musia vyriešiť inžinieri, vedci ešte celkom nechápu, čo sa vnútri plazmy vlastne deje a ako tento proces spoľahlivo a dlhodobo udržiavať a riadiť.

Plazma, ktorá má byť zdrojom energie, má isté vlastnosti, ktoré veda už pozná. No na spustenie fúznej reakcie treba plazmu „zapáliť“. A vlastnosti tejto horiacej plazmy sú iné ako predpokladajú vedecké modely.

Bez vyriešenia tejto záhady nie je zatiaľ možné ani začať pracovať na odolnejších materiáloch, ktoré by lepšie zvládali bombardovanie neutrónov na mikroštrukturálnej úrovni. Bez tohto posunu nebude možné vyrábať fúzne reaktory na komerčné využitie, pretože by v relatívne krátkom čase čelili veľkému poškodeniu, čo by pri súčasných nákladoch na stavbu reaktora nebolo efektívne.

Pokusy s fúziou totiž trvajú len obmedzený čas, a teda ani spôsobené poškodenie nemá fatálne následky a dá sa pred ďalším pokusom opraviť. Na stabilnú výrobu elektriny sa však taký prístup využiť nedá.

V zásade sa tak dá povedať, že dva z troch problémov na ceste k fakticky nekonečnému a lacnému zdroju energie sú už vyriešené. Poznáme fyzikálny princíp a vieme, ako fúznu reakciu spustiť. Zostáva už len vyriešiť, ako reakciu udržať v stave, v ktorom by bola schopná produkovať využiteľnú energiu.

Fúziu poznáme už sto rokov

Prvý krok urobil už pred vyše storočím britský fyzik Arthur Eddington, ktorý v roku 1919 overoval Einsteinovu teóriu relativity a zistil, že hmotnosť hélia je o niečo nižšia ako hmotnosť atómov vodíka, z ktorých hélium pri fúzii vzniklo. Keďže podľa Einsteina platí konverzia medzi hmotou a energiou, hmota, ktorá v héliu chýbala, sa pri fúzii musela uvoľniť vo forme energie.

Eddington pochopil potenciál svojho objavu a v prejave pred Britskou asociáciou pre rozvoj vedy v auguste 1920 vyhlásil: „Ak sa skutočne subatomárna energia vo hviezdach voľne využíva na udržiavanie ich veľkých pecí, zdá sa, že nás to trochu približuje k splneniu nášho sna - kontroly tejto latentnej sily pre blaho ľudskej rasy. Alebo na jej samovraždu.“

Žiaľ, skôr ako by sa ľudstvo dostalo k využívaniu fúznej reakcie vo svoj prospech, čoskoro ju dokázalo využiť na ten druhý účel.

Už relatívne krátko po tom, čo bol opačný proces – teda štiepna reakcia – využitý na výrobu jadrovej bomby, bola týmto spôsobom využitá aj fúzna reakcia. Prvé vodíkové bomby sa v arzenáli veľmocí objavili už v 50. rokoch.

No kým štiepnu reakciu sa na komerčnú výrobu elektriny podarilo zvládnuť už v druhej polovici 50. rokov, fúzna reakcia na mierové účely je dodnes v experimentálnom štádiu.

Najprv súboj, potom spolupráca

Na jej zvládnutí pracovali oba bloky – Západ aj Východ. Sovieti však mali popri rovnako bystrých vedcoch náskok vďaka svojej špionážnej sieti. Včas vedeli nielen o pokroku u nepriateľa, ale aj o tom, v čom sa mýli.

Ako opisuje americký letecký inžinier Robert Zubrin, vedúci sovietskeho programu Igor Kurčatov v roku 1956 dokonca prišiel do britského laboratória Harwell s prekvapivou prednáškou. Bez toho, aby prezradil svoje zdroje, veľkoryso vysvetlil chybu, ktorú by „niekto“ (Briti) mohol urobiť pri meraní počtu fúznych reakcií vyskytujúcich sa v plazme.

Briti však toto upozornenie ignorovali, a keď sa v reakcii na sovietsky Sputnik chceli svetu pochváliť vlastnými vedeckými úspechmi, zverejnili svoj fúzny program aj s chybami, na ktoré ich Kurčatov nepriamo upozornil.

Pozitívnym výsledkom však bolo naštartovanie medzinárodnej spolupráce a výmeny informácií, ktorá sa rozbehla po konferencii o mierovom využívaní jadrovej energie v roku 1958 v Ženeve.

Sovieti si však zachovali technologický náskok a po zverejnení funkčnosti svojho reaktora Tokamak (čo je skratka ruského názvu toroidná komora v magnetických cievkach) prejavili o jeho prevzatie záujem aj západné mocnosti. Postupne vznikli v Británii, v USA, vo Francúzsku či v Nemecku. Technológiu prevzali aj Japonsko, Kanada a India.

Na jednej strane bola medzinárodná spolupráca pozitívnym príbehom počas obdobia studenej vojny, na druhej strane to viedlo k tomu, že konkurenčné technologické prístupy prišli o podporu a výskum fúznej reakcie sa na globálnej úrovni fakticky unifikoval.

Tokamak však naozaj fungoval a výskum v jednotlivých laboratóriách stále prebiehal v konkurenčnom prostredí. Aj vďaka tomu objem získanej energie medzi rokmi 1970 a 1997 vzrástol z 10^-11 MW na 16,1 MW. Objem vloženej energie bol však, samozrejme, stále vyšší ako objem získanej.

Koniec konkurencie a ustrnutie vývoja

Koniec konkurencie a faktické zamrznutie rozvoja sa však spustili ešte v 80. rokoch. Všetci, ktorí na fúznej reakcii pracovali, sa dohodli, že vytvoria jeden veľký spoločný projekt nazvaný ITER, do ktorého vložia svoje zdroje a vedomosti.

No len niekoľko rokov rokovaní trvalo, kým sa krajiny dohodli, kde vôbec bude tento nový reaktor stáť. Nakoniec zvolili južné Francúzsko, no reaktor ITER je dodnes vo výstavbe a nemal zatiaľ možnosť experimentovať.

Odvtedy medzi fyzikmi koluje vtip, že fúzia je energiou budúcnosti a energiou budúcnosti navždy zostane.

Navyše hlavným financujúcim štátom projektu bolo Rusko a spolupráca s ním je po tom, čo Kremeľ tento rok napáchal, problematická aj na poli medzinárodnej vedeckej spolupráce.

Aj preto je aktuálny pokus z kalifornského laboratória výnimočný. Hoci na medzinárodnej úrovni vývoj ustrnul, ukazuje, že nové technológie ho môžu opäť odštartovať. A znova nakopnúť aj rozvoj reaktora typu Tokamak.

Tu však treba dnešné nadšenie trochu schladiť. Reaktor, ktorý využíva kalifornské laboratórium, nebol navrhnutý, aby smeroval ku komerčnej výrobe elektriny. Pôvodne ide o vojenské zariadenie, ktoré skúma využitie fúznej reakcie na simuláciu termonukleárnych výbuchov.

Stále znova sa tak vraciame k Eddingtonovmu citátu – využitia pre blaho ľudstva alebo na jeho samovraždu.

Hoci nemožno povedať, že by sa popri projekte ITER iné výskumy úplne skončili. Vo februári tohto roka oznámilo laboratórium JET vo Veľkej Británii, ktorá využíva Tokamak, že sa im podarilo vyrobiť 11 MW energie (menej, ako vložili).

V tom čase išlo aj v tomto prípade o významný posun. Nešlo ani o prekonanie rekordu z roku 1997 (16,1 MW), no reakciu sa im podarilo udržať na 5 sekúnd. Zdá sa to síce málo, no bolo to päťkrát dlhšie ako kedykoľvek predtým.

V septembri tohto roka kórejskí vedci zverejnili svoj experiment, keď sa im podarilo udržať teplotu plazmy na viac ako 100 miliónoch stupňov počas tridsiatich sekúnd. Bol to prvý prípad, keď sa tieto dva parametre podarilo dosiahnuť pri jednom pokuse. Experiment bol po pol minúte zastavený, aby nedošlo k fatálnemu poškodeniu zariadenia.

Dôležitá je aj otázka bezpečnosti. V prípade nehody alebo technickej poruchy pri štiepnej reakcii môže dôjsť k úniku rádioaktivity, pretože štiepna reakcia aj po núdzovom zastavení reaktora v istej miere ďalej pokračuje.

V prípade fúznej reakcie sa proces skončí v momente, keď v reaktore nie je palivo, a teda už sa nemá čo zlučovať. Najhorším následkom zlyhania fúzneho reaktora by bolo zničenie drahého zariadenia.

Nekonečná energia

Ak by túto technológiu zvládli, získali by sme neobmedzený zdroj energie. Hoci nedokážeme vytvoriť podmienky na zlučovanie jednoduchého vodíka, využívame jeho izotopy práve preto, že reagujú rýchlejšie. Izotop deutérium je jedným z približne 6000 atómov vodíka. A v litri vody je ho približne toľko, že jeho využitím by sme získali energiu ako z 350 litrov benzínu.

Vodu navyše netreba nijako upravovať. Rovnaký energetický potenciál má sladká, slaná aj akokoľvek znečistená voda.

Trícium vzniká v atmosfére reakciou na kozmické žiarenie. Jeho izolácia je zložitejšia ako v prípade deutéria a je vysoko rádioaktívne, a preto vhodné na využitie v energetike. Vyskytuje sa však prirodzene aj v molekulách vody, preto jeho využívaním nerastie riziko rádioaktívneho zamorenia.

Fúzna reakcia je nielen možnosťou získať nekonečný a lacný zdroj energie.

Je aj ďalším krokom pri budovaní slobodnejšej spoločnosti. Ľudstvo sa najskôr čiastočne oslobodilo od fyzickej práce, vlastnej aj zvieracej, vďaka využitiu veternej a vodnej energie. Následne s príchodom fosílnych palív sa oslobodilo od obmedzení, ktoré majú tieto veterné a vodné zdroje (nestálosť, prírodné podmienky).

Ďalšie oslobodzovanie prišlo so zvládnutím štiepnej reakcie, ktorej využívanie už nespôsobuje emisie toxínov a CO₂.

Fúzna reakcia je oslobodením od štiepnej, ktorá so sebou prináša riziko nebezpečného žiarenia a otázky okolo nakladania s jadrovým odpadom. A je aj konečným popretím neustále sa opakujúceho malthuziánskeho bludu o obmedzených zdrojoch a potrebe autoritatívnej vlády, ktorá bude strážiť spotrebu a rast populácie.

Ľudstvu sa tak otvára cesta nielen k tomu, aby sa raz vyriešili neduhy spojené s výrobou energie, ale aj na expanziu do vesmíru. Vodík je najčastejším prvkom vo vesmíre a fúzny pohon vesmírnych plavidiel by nám násobne skrátil cesty nekonečným priestorom.

Potenciál fúznej reakcie je prakticky nespochybniteľný. Prístup odborníkov sa líši len v miere optimizmu či pesimizmu v tom, kedy bude k dispozícii jej praktické využitie.

Optimisti vidia prvý komerčný reaktor už v roku 2035. Pesimisti hovoria o najskoršom možnom termíne až niekedy v roku 2070. Aj to ukazuje, že napriek novému úspechu vedy sa ten skutočný prelom možno priblížil, ale ešte nie je na dosah.