Co je to jaderná fúze?
Jaderná fúze (v tomto případě mluvíme o termojaderné fúzi) je reakce
Podle moderní astrofyzikálnípředstavy, hlavním zdrojem energie Slunce a dalších hvězd je termonukleární fúze vyskytující se v jejich hloubkách. Za suchozemských podmínek se provádí výbuchem vodíkové bomby. Termonukleární fúze je doprovázena kolosálním uvolňováním energie na jednotku hmotnosti reagujících látek (asi 10 milionůkrát více než v chemických reakcích). Proto je velmi zajímavé tento proces zvládnout a na jeho základě vytvořit levný a ekologický zdroj energie. Navzdory skutečnosti, že se velké vědecké a technické týmy v mnoha vyspělých zemích zabývají výzkumem řízené termonukleární fúze (CTF), je ještě třeba vyřešit mnoho složitých problémů, než se průmyslová výroba termonukleární energie stane realitou.
Moderní jaderné elektrárny využívající tento procesdivize uspokojují světové potřeby elektřiny jen částečně. Palivem jsou pro ně přírodní radioaktivní prvky uran a thorium, jejichž hojnost a zásoby v přírodě jsou velmi omezené; proto mnoho zemí čelí problému jejich dovozu. Hlavní složkou termonukleárního paliva je izotop vodíku deuterium, který se nachází v mořské vodě. Jeho zásoby jsou veřejně dostupné a velmi velké (Světový oceán pokrývá ~71 % povrchu Země a deuterium tvoří asi 0,016 % z celkového počtu atomů vodíku, které tvoří vodu).
Kromě dostupnosti paliva mají zdroje termonukleární energie oproti jaderným elektrárnám následující důležité výhody:
- reaktor CTS obsahuje mnohem méně radioaktivních materiálů než jaderný štěpný reaktor, a proto jsou následky náhodného úniku radioaktivních produktů méně nebezpečné;
- termonukleární reakce generují méně radioaktivního odpadu s dlouhou životností;
- TCB umožňuje přímou výrobu elektřiny.
Úspěšné provedení fúzní reakce závisí na vlastnostech použitých atomových jader a možnosti získání husté vysokoteplotní plazmy, která je nezbytná k zahájení reakce.
Jak se uvolňuje energie během fúze?
Uvolňování energie během jaderné fúze je způsobenoextrémně silné přitažlivé síly působící uvnitř jádra; tyto síly drží pohromadě protony a neutrony, které tvoří jádro. Jsou velmi intenzivní a rozpadají se extrémně rychle se vzdáleností. Kromě těchto sil vytvářejí kladně nabité protony elektrostatické odpudivé síly. Poloměr působení elektrostatických sil je mnohem větší než rádius jaderných sil, takže začnou převládat, když jsou jádra vzájemně odstraněna.
Za normálních podmínek kinetická energie jaderlehké atomy jsou příliš malé na to, aby překonaly elektrostatický odpor, mohly by se přiblížit a vstoupit do jaderné reakce. Odpuzování však lze překonat „hrubou“ silou, například srážkou jader s vysokou relativní rychlostí.
Proč vědci provádějí jadernou fúzi?
Vědci vyvíjející termonukleárníreaktor, který může generovat více energie, než kolik spotřebuje, ukázal v řadě nedávných prací, že jejich konstrukce musí fungovat, a obnovuje optimismus, že tento čistý, neomezený zdroj energie pomůže zmírnit klimatickou krizi.
Skupina vědců z MassachusettsInstitute of Technology (MIT) a další instituty prohlašují, že kompaktní fúzní reaktor SPARC bude fungovat ve skutečnosti. Alespoň teoreticky, jak tvrdí v řadě nedávno publikovaných studií.
Tým poukazuje na to, že během plánovacích fází čnebyly nalezeny žádné neočekávané překážky ani překvapení. Toto je uvedeno v sedmi článcích napsaných 47 vědci z 12 různých vědeckých institucí.
I když nový reaktor je stále ve výstavběV raných fázích vývoje vědci doufají, že by mohl začít vyrábět elektřinu do konce desetiletí. Martin Greenwald, jeden z vedoucích vědců projektu, řekl The Guardian, že klíčovou motivací pro ambiciózní časovou osu je uspokojení energetických potřeb v oteplujícím se klimatu. "Fúze se zdá být jedním z možných řešení, jak se dostat z hrozící klimatické katastrofy," řekl.
Jaký je problém fúze a jak může pomoci planetě?
Jaderná fúze, fyzikální procesk napájení našeho slunce dochází, když se atomy srazí dohromady při extrémně vysokých teplotách a tlacích, což způsobí, že fúzí s těžšími atomy uvolní obrovské množství energie.
Od jeho prvního objeveníV minulém století se vědci snažili využít jadernou fúzi, extrémně hustou formu energie, jejíž palivo – izotopy vodíku – je hojné a doplňované. Jaderná fúze navíc neprodukuje skleníkové plyny ani uhlík a na rozdíl od jaderných štěpných reaktorů s sebou nenese riziko roztavení.
Nicméně využití této formy jaderné energiese ukázalo jako extrémně obtížné, protože vyžadovalo zahřátí „polévky subatomárních částic“ – plazmy – na stovky milionů stupňů – příliš horké na to, aby se s nimi dalo manipulovat. Aby to vědci obešli, vyvinuli komoru ve tvaru koblihy, kterou prochází silné magnetické pole, nazývané tokamak, které drží plazmu na místě.
Co se již vyvíjí?
Massachusetts Institute of Technology Scientistsa dceřiná společnost Commonwealth Fusion Systems začaly navrhovat nový reaktor, kompaktnější než jeho předchůdci, počátkem roku 2018, s výstavbou by se mělo začít v první polovině příštího roku. Pokud jejich harmonogram půjde podle plánu, mohl by reaktor s názvem Sparc podle výzkumníků a úředníků společnosti vyrábět elektřinu pro rozvodnou síť do roku 2030. Bude to mnohem rychlejší než u stávajících hlavních iniciativ v oblasti energie z jaderné syntézy.
Současné návrhy reaktorů jsou příliš velkéa silnice, aby skutečně vyráběly elektřinu pro spotřebitele. Tým MIT a Commonwealth Fusion doufá, že pomocí špičkových, ultra silných magnetů vytvoří kompaktní, efektivní a škálovatelný tokamak reaktor. "To, co jsme skutečně udělali, je spojit existující vědu s novým materiálem, abychom otevřeli obrovské nové možnosti," řekl Greenwald.
Po předvedení toho zařízení Sparcby teoreticky mohlo vyprodukovat více energie, než je potřeba pro provoz, ve výzkumných dokumentech publikovaných v září je dalším krokem vybudování reaktoru a poté pilotního závodu, který bude vyrábět elektřinu v síti.
Všechny výhody a nevýhody jaderné fúze
Vědci a podnikatelé to dlouho slibovalitermonukleární fúze je za rohem, ale čelila nepřekonatelným problémům. To způsobilo neochotu investovat do něj, zejména proto, že větrné, solární a jiné obnovitelné zdroje energie, i když jsou méně výkonné než fúze, se staly účinnějšími a nákladově efektivnějšími.
Ale situace se mění.V Bidenově plánu 2 biliony dolarů označil vyspělou jadernou technologii za součást strategie dekarbonizace. Demokraté podporovali jadernou energii poprvé od roku 1972. Významné investice přicházejí také ze soukromých zdrojů, včetně některých velkých ropných a plynárenských společností, které vidí fúzi jako lepší dlouhodobou oporu než vítr a slunce.
Podle Boba Mumgaarda, jednateleŘeditel Commonwealth Fusion, cílem není použít fúzi k nahrazení solární a větrné energie, ale k jejich doplnění. "Jsou věci, které bude obtížné dělat pouze s obnovitelnými zdroji energie v průmyslovém měřítku, jako je napájení velkých měst nebo výroba," řekl. "V tom se může hodit syntéza."
Plazmová komunita jako celek je z postupu společnosti Sparc nadšená, i když někteří zpochybňují ambiciózní časovou osu vzhledem k technickým a regulačním překážkám.
Daniel Jessby, 25 let vědeckého výzkumuspolupracovník v Princetonské laboratoři fyziky plazmatu, je skeptický, zda by se fúzní reaktor jako SPARC mohl někdy stát možným alternativním zdrojem energie. Tritium, jeden z izotopů vodíku, které Sparc použije jako palivo, se v přírodě nevyskytuje a musí být vyrobeno, uvedl.
Massachusetts technologický týmÚstav předpokládá, že tato látka bude průběžně regenerována samotnou syntézní reakcí. Jessby však věří, že to bude vyžadovat obrovské množství elektřiny, což reaktor neúměrně prodraží. "Když si myslíte, že získáváme sluneční a větrnou energii zdarma, bylo by pošetilé spoléhat se na fúzní reakci," uzavírá.
Přečtěte si více
Výzkum: lidé nebudou moci ovládat superinteligentní stroje AI
Potrat a věda: co se stane s dětmi, které porodí
Podívejte se na nejkrásnější obrázky Hubbla. Co viděl dalekohled za 30 let?