Fúzia je ľahšia, než si myslíte

Keď sa plyn stlačí, ohreje sa – možno to poznáte z dofukovania bicyklovej duše. Keď sa William Thompson, známejší pod menom lord Kelvin, zamyslel nad tým, odkiaľ berie Slnko energiu, objavil sa logický nápad: čo ak sa Slnko jednoducho stláča?

Pekný nápad, ale nesedel. Vieme zmerať, koľko energie k nám prichádza zo Slnka a aký musí mať výkon. Takto získaná energia by sa minula asi za 20 miliónov rokov. Rýchlo sme však našli iné vysvetlenie. Dva protóny a dva neutróny vážia dokopy viac než hélium, a to podľa vzorca E = mc² znamená, že sa pri vzniku hélia energia uvoľní.

Slnko na Zemi

Pomerne rýchlo prišla aj otázka: Nevieme to zreprodukovať na Zemi? Vieme. Treba na to veľký tlak a teplotu ako na Slnku. Protóny totiž majú rovnaký náboj a odpudzujú sa, takže ich musíte poriadne natlačiť do seba. Ruku k dielu priloží kvantové tunelovanie a voilà, získavate energiu spájaním vodíka.

Takéto podmienky možno dosiahnuť napríklad pri výbuchu bomby alebo lepšie, pod kontrolou v reaktore. Ak chcete dosiahnuť vysoké teploty aj tlaky a zároveň si nezničiť reaktor, musíte horúcu plazmu (všetko dostatočne horúce sa stáva plazmou – najprv sa látka vyparí, potom sa odtrhnú elektróny) izolovať, napríklad pomocou magnetických polí.

Ako palivo sa používajú izotopy vodíka: deutérium a trícium. Deutéria je v oceánoch na desiatky miliárd rokov dopredu. Trícium je zložitejšie, dá sa získať, no je to náročné. Ak však do fúzneho reaktora pridáte aj lítium, fúzna reakcia po prvej reakcii s tríciom vyvolá druhú reakciu s lítiom, z ktorej trícium vznikne, a tak ho môžete točiť dookola.

Ideálne funguje tento proces pri teplote približne 200 miliónov kelvinov a na zachytenie plazmy sú potrebné pomerne silné magnetické polia, ale dá sa to. Asi ste počuli ten vtip: Jadrová fúzia bude vždy o 30 rokov.

Problémom je cena

Jadrovú fúziu vieme dosiahnuť už teraz, napríklad britský reaktor JET vyrábal počas niekoľkých sekúnd fúznu energiu s výkonom niekoľkých megawattov. Vo Francúzsku budovaný ITER má podľa simulácií dosiahnuť na niekoľko minút výkon stoviek megawattov. Vyrábať fúznu energiu teda v skutočnosti nie je problém, vieme to už teraz. Problémom je cena.

Reaktor ITER stojí desiatky miliárd eur a bude prerušovane dosahovať síce enormný výkon, no menší než bežná (štiepna) jadrová elektráreň. Znamená to, že sú fúzne elektrárne slepá cesta? Bolo lákadlo bezodpadovej jadrovej energie s bežne dostupným palivom falošné? Nie. Poďme konečne na fyziku.

Ako udržať plazmu

Plazma držaná magnetickými poľami sa víri a správa sa podľa zložitých zákonov magnetohydrodynamiky. Víry urýchľujú prenášanie energie von z reaktora. To je dobré, keďže ju chceme postupne získavať a využívať. Ak sa to však deje prirýchlo, reakcia vychladne.

Dá sa spočítať, že samoudržateľnosť reakcie závisí od troch parametrov: veľkosti reaktora R, sily magnetického poľa B a faktora H, ktorý charakterizuje vírivosť plazmy. Platí, že reakcia sa udrží, ak H³ R³ B4 > c, teda kombinácia (umocnených) faktorov musí byť väčšia než istá konštanta. Ak napríklad vytvoríme dvakrát silnejšie magnetické pole, reakcia sa bude udržiavať 2⁴, teda 16-krát lepšie. To je však problém, pretože už teraz sa používajú veľmi silné magnety. Ešte je priestor na zlepšenie, no veľmi nás to už nepustí.

Druhá možnosť je zväčšovať reaktory, teda zvyšovať ich polomer R. To sa dá a robíme to (ITER bude dvakrát väčší ako JET), no stojí to peniaze, preto začne byť vyrobená energia drahšia než z iných zdrojov.

Hľadanie ideálneho reaktora

A tak je najlepšia možnosť navrhnúť taký dizajn magnetov a magnetických polí, aby sa plazma vírila čo najvhodnejšie a udržala energiu čo najdlhšie. Ako na to? Nevieme. O tom je veľká časť výskumu jadrovej fúzie. Istý prísľub prináša umelá inteligencia. Má to však háčik – dobre funguje tam, kde máme veľa dát. Ideálne by sme potrebovali obrovský katalóg dizajnov magnetov, magnetických polí a plaziem, ktoré sa v nich udržiavajú pri 200 miliónoch stupňov. Ten však nemáme.

V každom prípade nás od lacnej fúznej energie možno delí jeden dobrý nápad. Jeden dokonalý dizajn. Jeden znie ako rozumne malé číslo, no treba si pripomenúť, že ľudstvo zápasilo dlhý čas aj s problémami, ktoré vyzerali zvládnuteľne. A niektoré zdanlivo jednoduché problémy sme nevyriešili dodnes.

Autor článku: Samuel Kováčik
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na vedator.space. Vedátora môžete sledovať aj prostredníctvom bezplatnej mobilnej aplikácie.