Spasí civilizáciu fúzna energia? Čo o nej vieme a čo z toho vyplýva (TÉMA)

Pripomína to vesmírne preteky, ktoré v povojnových rokoch minulého storočia zvádzali USA so Sovietskym zväzom o to, kto skôr dobyje niektorú vesmírnu métu. O 70 rokov neskôr sa však podobný súboj týka diania na Zemi a k jeho hlavným aktérom už nepatrí Sovietsky zväz, resp. následnícke Rusko. To vo vývoji nových technológií už nie je takmer ničím a ako sa zdá, čoskoro bude ničím vo všetkom.

V článku sumarizujeme:

• čo je fúzna energia a na akých mechanizmoch vzniká,
• čo sú hlavné komponenty vyvíjané využitie fúznej energie,
• aké sú základné metódy a technológie, ktoré fúznu energiu vytvárajú,
• kto sú hlavní aktéri na trhu vývoja fúznej energie,
• aké sú reálne výhľady, či a kedy sa podarí vyrobiť prvú komerčnú fúznu elektráreň.

Táto nevyhlásená súťaž je o získaní tzv. nekonečného zdroja energie, ktorý sa získa jadrovou fúziou. Nekonečného preto, lebo ak by sa podaril technologicky zvládnuť, tak jeho zdrojové zásoby sa počítajú na desaťtisíce rokov.

V tejto súťaži dominujú USA a Čína, ktoré podľa Reuters investovali do vývoja za posledných päť rokov viac ako 6,6 miliardy USD, a spolu s nimi niekoľko ďalších krajín. Okrem obrovských projektov, ktoré sú dotované vládami, však tentoraz pretekajú aj veľkí súkromní investori.

Čo je fúzna energia?

Jadrová fúzna energia je energia, ktorá sa uvoľňuje pri jadrovej fúzii – procese, keď sa dve (alebo viac) ľahké atómové jadrá spoja a vytvoria jedno ťažšie jadro. Fúzne reakcie prebiehajú v stave hmoty, ktorý sa nazýva plazma – je to horúci nabitý plyn, ktorý je zložený z kladných iónov a voľne sa pohybujúcich elektrónov s jedinečnými vlastnosťami. Plazma nie je stavom pevnej látky, kvapaliny ani plynu, vysvetľuje medzinárodná agentúra pre atómovú energiu IAEA.

Čo sa vtedy deje? V stave plazmy „fúzujú“ atómové jadrá (protóny a neutróny), teda nie je to proces, aký sa deje pri horení kedy fúzujú elektróny, alebo sa dejú chemické väzby. Stav plazmy je nevyhnutný preto, aby sa jadrá vôbec dokázali k sebe priblížiť.

Pohľad do vnútra stellaratora W7-X (apríl 2013) | Gwurden, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Slnko na Zemi

Fúzna reakcia je tá istá, akou emituje energiu Slnko a všetky ostatné hviezdy. Slnko so svojou obrovskou gravitáciou vytvára podmienky, aby sa jadrá k sebe priblížili a ich vzájomná príťažlivá jadrová sila mohla prevážiť elektrické odpudzovanie, teda tzv. Coulombovu bariéru, a umožniť fúziu. K tomu potrebujú extrémne vysoké teploty, približne desať miliónov stupňov Celzia.

Čo spolu fúzuje?

Fúzovať môžu teoreticky akékoľvek jadrá. Energia sa však uvoľňuje iba pri takej jadrovej reakcii, po ktorej je celková hmotnosť výsledných častíc menšia ako hmotnosť počiatočných reaktantov.

V energetike sa na riadenú výrobu energie uvažuje najčastejšie s využitím fúznej reakcie medzi deutériom a trítiom, čo sú izotopy vodíka; napríklad aj preto, lebo , teploty plazmy, ktoré sú potrebné na čisté uvoľnenie energie, sú pomerne mierne.

Takže najtypickejšia fúzna reakcia pre energetiku je deutérium + trícium (D–T), pričom deutérium (D) je vodík s 1 protónom a 1 neutrónom a trícium (T) je vodík s 1 protónom a 2 neutrónmi.

Aké metódy sa vyvíjajú?

Encyklopédia Britannica podrobne popisuje rôzne metódy, ktorými chcú vedci dosiahnuť stabilný tok fúznej energie.

Dve najrozšírenejšie sú magnetické zadržanie (magnetic confinement - MC) a inerciálne zadržanie (Inertial confinement fusion - ICF). Menej rozšírený je prístup, ktorý je založený na fúzii katalyzovanej miónmi.

Metóda MC sa vyvíja najčastejšie v zariadeniach tokamak a stellarátor, zatiaľ čo ICF využíva ako najbežnejší zdroj energie vysokovýkonný laser. 

Fúzia mobilizuje investorov

Nedávne spojenie Trumpovej spoločnosti s vývojármi TAE Technologies opäť obrátilo pozornosť médií na rozvoj využívania fúznej energie. Tento rok sme informovali aj o tom, že britská vláda plánuje najbližších 5 rokov preinvestovať do výskumu a vývoja fúznej energie viac ako 2,5 miliardy libier, a tiež o nemeckom vývoji stellarátora.

Do vývoja fúznej energie investujú miliardy hráči ako Microsoft, Google, Chevron Technology Ventures, Goldman Sachs, Sumitomo, NEA a ďalší, túto inováciu masívne podporujú aj vlády, vrátane čínskej.

Technologickí giganti sú motivovaní nielen vidinou budúcich ziskov, ale je to pre nich aj spôsob, akým urobiť ekologickejšou veľkú záťaž, ktorú spôsobuje umelá inteligencia - tou je obrovská spotreba energie. Tá podľa The Washington Post spôsobuje v súčasnosti nárast využívania fosílnych palív, vrátane odloženia vyradenia niektorých uhoľných elektrární. 

Veľkí štátni hráči

Viacero štátnych zariadení vyvíja „laserovú” ICF metódu inerciálneho zadržania.

V súčasnosti najväčším zariadením na vývoj fúznej energie je americké The National Ignition Facility (NIF - „Národné zariadenie na zapaľovanie”, pozn. aut.) v Severnej Karolíne. Je to najväčší a najvýkonnejší laserový systém na svete, ktorý dodáva viac ako 2 milióny jouleov ultrafialovej energie a 500 biliónov wattov špičkového výkonu na cieľ veľkosti gumy na ceruzke. Vytvára teploty viac ako 180 miliónov stupňov Fahrenheita a tlaky viac ako 100 miliárd atmosfér Zeme. Tieto extrémne podmienky spôsobujú, že atómy vodíka v cieli sa zlučujú a uvoľňujú energiu v kontrolovanej termonukleárnej reakcii.

Ilustračné foto: Depositphotos

Laser Mégajoule (LMJ) pri Bordeaux je veľké štátne laserové zariadenie, ktoré je určené na experimenty vo vysokoenergetickej hustotnej fyzike a najmä na podporu francúzskeho „Programme Simulation” – t. j. laboratórne vytváranie extrémnych podmienok podobných tým, ktoré nastávajú pri fungovaní jadrovej zbrane, aby bolo možné overovať modely bez jadrových skúšok.

Čína, zdá sa, buduje obrovské zariadenie na výskum laserovej fúzie v Mianyangu. Experimentálna hala v zariadení v Mianyangu je o 50 % väčšia ako americké NIF v hodnote 3,5 miliardy dolárov, ktoré v roku 2022 vyrobilo viac energie z fúznej reakcie ako lasery napumpované do cieľa. 

Podobne ako v prípade NIF, aj čínske zariadenia má slúžiť tiež na vojenské účely. Má bezpečne modelovať nuansy detonácie, ktoré by si inak vyžadovali zakázané testy jadrových zbraní.

Prevažná väčšina zariadení, ktoré prevádzkujú alebo dotujú vlády, je však vybudovaná na technológii tokamakov.

V Spojenom kráľovstve je hlavné štátne (národné) zariadenie pre výskum a vývoj fúzie sústredené na Culham Campus pri Oxforde, ktoré prevádzkuje vládna organizácia UK Atomic Energy Authority (UKAEA). Vlajkovým programom je zariadenie STEP (Spherical Tokamak for Energy Production), ktoré má do roku 2040 dodať prototyp fúznej elektrárne na báze sférického tokamaku. Okrem toho je v UK aj britské národné fúzne laboratórium CCFE.

K ďalším krajinám treba pripočítať Japonsko, Južnú Kóreu, Nemecko, Taliansko, Švajčiarsko, či Indiu.

Súkromné investície

Tu je prehľad niektorých projektov súkromných investorov podľa metódy získavania energie na fúznu reakciu, ktorú vyvíjajú.

Tokamak

© PROPERTY & ENVIRONMENT s. r. o. Autorské práva sú vyhradené a vykonáva ich vydavateľ.