Vědci dosáhli průlomu v jaderné fúzi. Poprvé vyrobili více energie, než si vyžádalo její zažehnutí

Fúzní komora LLNL, do níž 192 laserových paprsků vyslalo dne 5. prosince 2022 více než 2 MJ ultrafialového záření směrem k malé palivové peletě, a zažehlo tak fúzní jadernou reakci
Foto: LLNF

Americké ministerstvo energetiky (DOE) a americký Národní úřad pro jadernou bezpečnost (NNSA) oznámily, že se vědcům z National Ignition Facility (NIF), součásti Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), podařilo poprvé v historii v laboratorních podmínkách dosáhnout energeticky ziskové jaderné fúze. Jinými slovy: při fúzi vzniklo více energie, než kolik jí dodaly lasery použité k jejímu zažehnutí. Je třeba podotknout, že úspěšný experiment byl součástí vojenského výzkumu a cesta od tohoto dílčího úspěchu ke komerčnímu využití v „mírové“ energetice bude ještě dlouhá.

„Nechci ani v nejmenším vzbuzovat naději, že naše zařízení brzy zapojíme do elektrické sítě: tak tomu rozhodně nebude,“ zdůraznila během tiskové konference ve Washingtonu ředitelka LLNL Kim Budilová. „Jedná se však o základní stavební kámen v budování systému inerciální fúze,“ doplnila.

I přesto výzkumníci z LLNL označili tuto událost za „jeden z nejúchvatnějších vědeckých výsledků 21. století“.  To je možná, i přes nepochybný význam tohoto experimentu, vzhledem k tomu, že ještě nejsme ani ve čtvrtině tohoto století, poněkud odvážné tvrzení. I tak si ale zaslouží dostatek pozornosti. Je totiž faktem, že výzkumníci na celém světě se po dlouhá desetiletí o dosažení energeticky efektivní jaderné fúze pokoušeli. I proto mohla ředitelka LLNL Kim Budilová na tiskové konferenci oznámit: „Snaha o zapálení fúze v laboratorních podmínkách je jednou z nejvýznamnějších vědeckých výzev, které kdy lidstvo řešilo, a dosažení tohoto cíle je triumfem vědy, techniky a především lidí.“

Jako uvnitř hvězd

Ve zmíněném experimentu LLNL byla jaderná fúze zažehnuta dodáním 2,05 MJ. Na 192 laserů ostřelovalo zlatý váleček o velikosti hrášku obsahující zmrazenou peletu izotopů vodíku deuteria a tritia. Energetický puls způsobil kolaps kapsle, čímž bylo dosaženo teplot, které panují pouze uvnitř hvězd nebo při výbuchu termonukleární zbraně. Izotopy vodíku se díky tomu sloučily a vytvořily atom helia, čímž uvolnily další energii a spustily kaskádu fúzních reakcí, v jejichž důsledku se podařilo uvolnit 3,15 MJ energie. To bylo zhruba o 54 % více, než kolik do reakce vložily laserové paprsky, a také více než dvojnásobek předchozího fúzního rekordu, který činil 1,3 MJ. Je však třeba dodat, že celkem si „nabití“ laserů vyžádalo 322 MJ energie, takže z hlediska energetického využití se stále jedná o neefektivní zdroj. Přesto vědci experiment kvalifikují jako „zapálení jaderné fúze“, což je klíčové srovnávací kritérium pro fúzní reakce.

NIF je nejvýznamnějším experimentálním zařízením programu amerického ministerstva energetiky zaměřeného na výzkum jaderných zbraní. Podle původního plánu mělo NIF dosáhnout zažehnutí jaderné fúze do roku 2012. To se však nepodařilo, a proto tato instituce v následujících letech čelila kritice za zpoždění a také za překročení nákladů. Nynější úspěch je tedy zadostiučiněním, které výzkumníci připisují především vylepšení podoby terče, do nějž se lasery trefují, lepšímu prediktivnímu modelování podporovanému i tzv. strojovým učením a kognitivní simulací a také technologicky pokročilejším laserům.

Pokud přijde řeč na bezpečnost této technologie, vědci zdůrazňují, že podmínky potřebné k zahájení a udržení fúzní reakce jsou tak extrémní, že je nemožné, aby se vymkla kontrole. „Fúze je samoomezující proces: pokud nedokážete ovládat reakci, zařízení se samo vypne,“ vysvětlila Sehila González de Vicenteová z Mezinárodní agentury pro atomovou energii (IAEA).
Předností jaderné fúze je rovněž nižší míra vyprodukovaného radioaktivního odpadu v porovnání s procesem jaderného štěpení. Díky tomu je také manipulace s tímto odpadem mnohem jednodušší a bude se i snáze skladovat.

Podle Annie Kritcherové, vedoucí týmu integrovaného modelování a hlavní designérky experimentu, je tento experiment součástí nové kampaně NIF, která začala v září letošního roku, kdy její tým představil nové možnosti laserů a také odolnější kapsli pro fúzní palivo, poskytující větší kapacitu k dosažení momentu vznícení. Tým také zlepšil symetrii imploze a díky kognitivní simulaci si posléze i ověřil, že experiment by mohl být s vysokou mírou pravděpodobnosti úspěšný.

Trocha historie

V 60. letech 20. století skupina průkopníků v oblasti jaderné fúze v LLNL předpokládala, že k vyvolání fúze v laboratorním prostředí by mohly být použity lasery. Pod vedením fyzika Johna Nuckollse, který později, v letech 1988 až 1994, působil jako ředitel LLNL, tato revoluční myšlenka dostala podobu laboratorní inerciální fúze, která odstartovala období výzkumu a vývoje v oblasti laserů, optiky, diagnostiky, výroby terčů i počítačového modelování a simulace.

Pro realizaci tohoto konceptu vybudovala LLNL řadu výkonných laserových systémů, což nakonec vedlo k vytvoření NIF, největšího a nejvýkonnějšího laserového systému na světě. NIF – nacházející se v LLNL v Livermore v Kalifornii – má rozlohu velkého sportovního stadionu a využívá výkonné laserové paprsky k vytváření teplot a tlaků, jako jsou ty v jádrech hvězd a obřích planet nebo také uvnitř explodujících jaderných zbraní.

Kromě vědců LLNL se na projektu podílejí také odborníci z Los Alamos National Laboratory, Sandia National Laboratories, Nevada National Security Site, General Atomics, akademické instituce, včetně Laboratoře laserové energetiky University of Rochester, Massachusetts Institute of Technology, University of California, Berkeley a Princeton University. Je třeba zmínit, že nejde čistě o americký projekt – ze zahraničí jsou do něj zapojeny také britské a francouzské instituce.

Pokud přijde řeč na bezpečnost této technologie, vědci zdůrazňují, že podmínky potřebné k zahájení a udržení fúzní reakce jsou tak extrémní, že je nemožné, aby se vymkla kontrole. „Fúze je samoomezující proces: pokud nedokážete ovládat reakci, zařízení se samo vypne,“ vysvětlila Sehila González de Vicenteová z Mezinárodní agentury pro atomovou energii (IAEA).

Předností jaderné fúze je rovněž nižší míra vyprodukovaného radioaktivního odpadu v porovnání s procesem jaderného štěpení. Díky tomu je také manipulace s tímto odpadem mnohem jednodušší a bude se i snáze skladovat.