Vďaka jadrovej fúzii budeme zrejme môcť vyrobiť neobmedzené množstvo čistej energie

Za predpokladu, že technológia funguje, termojadrová energia nám ponúkne obrovské množstvo čistej energie s takmer neobmedzeným zdrojom paliva a prakticky nulovými emisiami oxidu uhličitého. No otázkou je, či naozaj funguje. Na odpovedi pracujú tímy vedcov z celého sveta a na jej zistenie sú vynakladané miliardy dolárov.

Nová kapitola termonukleárneho výskumu bola odštartovaná vo februári minulého roka. V nemeckom Greifswalde bol otvorený Wendelstein 7-X. Ide o miliardový experimentálny fúzny reaktor, ktorý využíva stelarátor (zariadenie pre udržanie plazmy z dôvodu využitia termojadrovej reakcie k výrobe energie).

Predpokladá sa, že v roku 2021 bude schopný nepretržite pracovať až 30 minút, čo by predstavovalo rekordný čas pre prácu fúzneho reaktora. Ide o veľký krok vedúci k dôležitej vlastnosti termojadrovej elektrárne budúcnosti – nepretržitej prevádzke.

W-7X však nie je jediný reaktor v hre. Na juhu Francúzska sa stavia ďalší experimentálny jadrový reaktor INTER, ktorý využíva iný typ zariadenia, tokamak.

Aj napriek tomu, že W-7X a ITER používajú iný typ fúzneho reaktora, oba projekty sa navzájom dopĺňajú a je pravdepodobné, že inovácie v jednom sa eventuálne premietnu do fungujúcej elektrárne založenej na jadrovej fúzii.

Výstavba reaktora ITER, Francúzsko, zdroj:sciencemag.org

Ako to funguje?

Jadrová fúzia sa snaží napodobniť energiu poháňajúcu naše Slnko, kedy dochádza k spojeniu dvoch veľmi ľahkých atómov, akými sú napríklad vodík a hélium. Výsledný tavený atóm je vo finálnej podobe o niečo ľahší, ako pôvodné dva atómy. Rozdiel v hmotnosti, ktorý vzniká, je následne premenený, podľa Einsteinovej rovnice E = mc2, na energiu. No je tu menší háčik. Na podporu oboch atómov k fúzii je potrebné zahriať ich na milióny stupňov Celzia. Na vytvorenie tak prehriateho paliva je potrebný obrovský výkon. Vzniká tak ionizovaný plyn, alebo inak plazma, ktorá je obsiahnutá v magnetickom poli, takže sa v skutočnosti nedotýka vnútra reaktora.

Čo robí W-7X takým zaujímavým, je práve jeho stelarátor. Obsahuje vákuovú komoru vloženú v magnetickej fľaši, ktorá pozostáva zo 70 supervodivých magnetických cievok. Tie produkujú silné magnetické pole uzatvárajúce horúcu plazmu.

Stelarátor, zdroj:sciencemag.org

Stelarátory aj tokamaky sú toroidné zariadenia (v tvare šišky), ktoré sa využívajú pri výskume jadrovej syntézy. Pri experimentoch silné toroidné alebo kruhové magnetické pole vytvára akúsi magnetickú fľašu, ktorá uzatvára plazmu. Avšak, kým plazma je dobre upevnená v komore v tvare šišky, magnetické pole sa potrebuje krútiť. V tokamaku na vytvorenie požadovanej stočenej cesty plazmou preteká veľký prúd. Ten však môže spôsobiť nestability, ktoré vedú k narušeniu plazmy. Ak sa plazma naruší, do reaktora sa musí vpustiť plyn na uhasenie plazmy a prevenciu pred možným zničením experimentu. V stelerátore sa krútenie magnetického poľa získa tým, že sa točí celý stroj. To odstraňuje veľký toroidný (prstencový) prúd, vďaka čomu je plazma vo vnútri stabilnejšia.

Vľavo tokamak, vpravo stelarátor, zdroj: youtube.com

Kým W7-X a ITER využívajú rozdielne prístupy, väčšina používaných technológií je rovnaká. V oboch prípadoch ide o toroidné supervodivé stroje, ktoré využívajú externé vykurovacie systémy na ohrev plazmy, akými sú rádiové frekvencie či neutrálne vstrekovanie. Majú veľa spoločného aj čo sa týka technológií diagnostiky plazmy.

V elektrárni sa spájajú ťažké izotopy vodíka a vzniká hélium spolu s neutrónom. Kým hélium je obsiahnuté v plazme, neutrón má neutrálny energetický náboj a „strieľa do prikrývky“, ktorá obklopuje plazmu. Dochádza tak k ohrevu, ktorý poháňa parnú turbínu vyrábajúcu elektrinu.

zdroj: new.math.uiuc.edu

Spoločnou potrebou fúznej energie je vyvinúť materiály, ktoré znesú vysoké teplo a rýchle neutróny vytvorené fúznou reakciou. Bez ohľadu na typ, prvá stena reaktora musí vydržať masívne bombardovanie vysoko energetických častíc, a to po celú dobu životnosti.

Preto je v tejto fáze ešte skoro na to, povedať, či tokamak alebo stelerátor budú využívané komerčnými elektrárňami. No začiatok výskumnej činnosti W-7X pomôže nielen rozhodnúť, ktorú technológiu bude najvhodnejšie realizovať, ale prispeje aj cennými poznatkami do prípadných budúcich experimentov. Možno sa jedného dňa dočkáme naozajstnej energetickej revolúcie.

zdroj článku: sciencealert.com zdroj titulnej fotografie: sciencemag.org