Jadrová fúzia sa bežne spája s miliardovými investíciami, medzinárodnými vedeckými konzorciami ako ITER a technológiami, ktoré majú byť spásou energetiky o niekoľko desaťročí. Predstava, že by sa tento svätý grál fyziky dal realizovať v bežnej garáži alebo pivnici, znie na prvé počutie absurdne. Opak je však pravdou. Zariadenie schopné dosiahnuť jadrovú fúziu, konkrétne Farnsworthov-Hirschov fúzor, nie je len doménou špičkových laboratórií. S dostatočnou dávkou trpezlivosti, technického umu a rešpektu k fyzike si ho teoreticky dokážeš zostrojiť aj doma.

Treba však hneď na úvod vyjasniť jednu zásadnú vec. Tento projekt nie je cestou k energetickej nezávislosti. Domáci fúzor je energetický parazit v tom najpravdivejšom zmysle slova, keďže spotrebuje rádovo viac energie na vytvorenie a udržanie plazmy, než kedy dokáže vygenerovať fúziou atómov deutéria. O žiadnom „free energy“ zázraku teda nemôže byť reč. Prečo sa do niečoho takého vôbec púšťať?

Motiváciou tu nie je zisk, ale čistá veda a inžinierska výzva. Postaviť fúzor znamená skrotiť vysoké napätie, zvládnuť technológiu hlbokého vákua a na vlastné oči vidieť proces, ktorý poháňa hviezdy. Na svete existuje úzka, no elitná komunita amatérskych fyzikov, ktorým sa podarilo nielen vytvoriť žiariacu plazmu, ale aj namerať preukázateľný tok neutrónov. Je to dôkaz, že aj v domácich podmienkach sa dá dotknúť hraníc nukleárnej fyziky. Pozrime sa teda bližšie na to, čo všetko obnáša stavba vlastnej „hviezdy vo fľaši“.

Bez kvantovej mechaniky by to nešlo

Aby sme pochopili, prečo sa o fúzii hovorí ako o energii budúcnosti, musíme sa pozrieť do samotného vnútra hmoty. Na rozdiel od jadrového štiepenia, ktoré poznáme z bežných jadrových elektrární a ktoré funguje na princípe rozbíjania ťažkých a nestabilných jadier uránu či plutónia, fúzia robí pravý opak. Je to proces spájania. Ide o „svadbu“ tých najľahších prvkov vo vesmíre, izotopov vodíka, s cieľom vytvoriť niečo ťažšie a stabilnejšie, zvyčajne hélium.

Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC, 2021

Prečo to robíme? Kvôli rovnici, ktorú pozná aj predškolák: E=mc². Keď sa dve ľahké jadrá spoja, výsledné jadro je o nepatrný kúsok ľahšie než súčet jeho pôvodných častí. Táto chýbajúca hmota, takzvaný hmotnostný úbytok, nezmizla. Premenila sa na čistú, brutálnu energiu. A tu prichádza ten šok: fúzia je energeticky oveľa potentnejšia než štiepenie. Kým rozbitie jadra uránu uvoľní úctyhodné množstvo energie, fúzia vodíka uvoľní na jednotku hmotnosti niekoľkonásobne viac energie, a to bez produkcie vysoko rádioaktívneho odpadu s polčasom rozpadu tisíce rokov.Príroda tento proces zdokonalila v našom Slnku.

V jeho jadre panuje peklo. Teplota 15 miliónov stupňov a tlak, ktorý si ani nevieš predstaviť. Tam prebieha takzvaný protón-protónový cyklus, kde sa jadrá vodíka (holé protóny) pod obrovským tlakom spájajú. Znie to jednoducho? Omyl. Podľa klasickej fyziky by Slnko vôbec nemalo svietiť.

Tu narážame na problém menom Coulombova bariéra. Protóny majú kladný náboj a ako vieme, zhodné náboje sa odpudzujú. Čím viac ich k sebe približuješ, tým zúrivejšie sa bránia. Klasická fyzika tvrdí, že ani teplota v jadre Slnka nedáva protónom dosť energie na to, aby túto odpudivú silu prekonali a spojili sa. Mali by sa od seba odraziť ako biliardové gule. Tak ako je možné, že tu sme?

Odpoveďou je mágia zvaná kvantová mechanika. Na subatomárnej úrovni sa častice nesprávajú ako pevné guľôčky, ale majú aj vlnové vlastnosti. Vďaka javu, ktorý nazývame kvantové tunelovanie, existuje malá, no nenulová pravdepodobnosť, že častica si jednoducho „požičia“ energiu a prejde cez neprekonateľnú energetickú bariéru, akoby tam ani nebola. Bez tohto „podvádzania“ reality by fúzia vo hviezdach nefungovala, vesmír by bol tmavý, studený a ty by si teraz nečítal tento článok.

Koncept je jednoduchý

Aby sme pochopili, čo sa v tej „nerezovej guli“ vlastne deje, musíme na chvíľu zabudnúť na gigantické projekty ako ITER. Tie využívajú na udržanie plazmy silné magnetické polia (tokamaky). Farnsworthov-Hirschov fúzor však funguje na inom, pre domácu realizáciu dostupnejšom princípe. Využíva takzvané inerciálne elektrostatické udržanie (IEC). Znie to komplikovane, ale základná myšlienka je prekvapivo elegantná.

Jadrom celého zariadenia sú dve koncentrické elektródy (mriežky) umiestnené vo vákuovej komore. Vonkajšia mriežka je uzemnená (anóda), zatiaľ čo vnútorná mriežka, zvyčajne menšia guľa z tenkého drôtu, je pripojená na zdroj extrémne vysokého záporného napätia (katóda), bežne v rozmedzí 20 000 až 50 000 voltov. Do komory sa následne vpustí nepatrné množstvo plynného deutéria (ťažkého vodíka).

Vplyvom silného elektrického poľa sa plyn ionizuje. Elektróny sa odtrhnú a vznikajú kladne nabité ióny deutéria. Keďže sa protiklady priťahujú, tieto ióny sú obrovskou silou urýchľované smerom k záporne nabitej vnútornej mriežke. Tu sa však deje to kúzlo. Ióny, ktoré nenarazia priamo do drôtov vnútornej mriežky, preletia cez jej oká a smerujú do geometrického stredu gule. Tam sa stretávajú s inými iónmi prilietajúcimi z opačnej strany. V ideálnom prípade majú dostatočnú kinetickú energiu na to, aby prekonali vzájomný elektrostatický odpor (Coulombovu bariéru) a zrazili sa. Výsledkom je fúzia, teda vznik hélia-3, uvoľnenie neutrónu a energie.

ITER

Vizuálne je tento proces fascinujúci. V mieste, kde sa ióny zrážajú a prechádzajú cez mriežku, vznikajú charakteristické lúče žiary, často pripomínajúce lúče hviezdy. Tento jav sa v komunite nazýva „star mode“. Hoci to vyzerá úchvatne, práve tu narážame na tvrdé fyzikálne limity tohto dizajnu.

Prečo to teda nemôže poháňať tvoj dom? Problémom je efektivita. Väčšina iónov sa totiž nezrazí v strede, ale trafí priamo konštrukciu vnútornej mriežky, čím sa energia mení len na odpadové teplo (mriežka sa často rozžeraví dočervena). Ďalšie straty vznikajú brzdným žiarením. Energetická bilancia je teda zúfalo záporná a obtiažnosť dosiahnutia vysokej efektivity sa líši od konkrétnej metódy, píše Helion Energy. Fúzor v tejto podobe nie je generátorom elektriny, ale primárne zdrojom neutrónov. Pre vedcov a nadšencov je to však neoceniteľný nástroj na štúdium plazmy, detekciu radiácie a pochopenie jadrových procesov v „vreckovom“ balení.

Riziká, na ktoré si treba dať poriadny pozor

Ak si doteraz nadobudol pocit, že stavba fúzora je niečo ako skladanie nábytku z IKEA, rýchlo na to zabudni. Toto zariadenie sa ťa bude snažiť zabiť minimálne dvoma rôznymi spôsobmi. Prvým a najbezprostrednejším rizikom je vysoké napätie. Bavíme sa o desiatkach tisíc voltov s prúdom, ktorý je s prehľadom smrtiaci. Nabité kondenzátory v zdroji ťa dokážu poslať na onen svet aj po tom, čo si zariadenie vypol zo zásuvky. Základná znalosť práce s vysokým napätím a „vybíjací drôt“ (chicken stick) sú absolútnou nutnosťou.

Druhým, zákernejším rizikom je ionizujúce žiarenie. Ešte predtým, než vôbec dosiahneš fúziu, bude tvoje zariadenie fungovať ako veľmi neefektívny röntgen. Elektróny narážajúce do kovového plášťa komory produkujú X-ray žiarenie, ktoré prechádza bežným sklom aj tenkým kovom. Ak sa ti podarí dosiahnuť fúziu, pribudnú k tomu rýchle neutróny, ktoré prejdú takmer všetkým. Pozerať sa do bežiaceho reaktora „cez okienko“ je najrýchlejšia cesta k trvalému poškodeniu zraku alebo rakovine. Riešenie? Olovené tienenie, parafínové bloky a diaľkové sledovanie procesu cez webkameru. Žiadne hrdinstvo, len čistá paranoja.

Možno ti napadá otázka: Je to vôbec legálne? Prekvapivo, áno. Vlastniť a prevádzkovať fúzor na vedecké účely nie je vo väčšine krajín zakázané, pokiaľ nepracuješ s rádioaktívnym palivom (ako trícium) alebo sa nesnažíš obohacovať materiál. Deutérium je stabilný izotop a nepodlieha prísnym reguláciám.

Nebudeš v tom sám. Cestu ti už vyšliapali iní. Existuje neviazaná komunita „fusioneers“, teda amatérov, študentov či inžinierov, ktorí svoje úspechy, ale aj zlyhania, detailne dokumentujú na fórach ako Fusor.net. Mnohí z nich začínali v garáži s nulovými vedomosťami a skončili s funkčným reaktorom a uznaním od jadrových fyzikov. Všetky schémy, postupy a bezpečnostné protokoly sú vďaka nim verejne dostupné. Stačí len čítať, premýšľať a neriskovať zbytočne.

Logistická nočná mora

Zabudni na to, že si kúpiš stavebnicu „Moja prvá fúzia“. Nič také neexistuje. Stavba fúzora je v podstate vysoko odborná forma „hrabania sa na smetisku“. Väčšina úspešných konštruktérov trávi mesiace na eBayi, v armádnych výpredajoch alebo na fórach, kde sa zbavujú starého laboratórneho vybavenia. Tvojou prvou a najdrahšou investíciou bude vákuový systém. Nestačí ti vysávač. Potrebuješ dosiahnuť vysoké vákuum (rádovo 10^-6 Torr a menej). To znamená dvojstupňový systém: kvalitná rotačná olejová výveva na hrubé odčerpanie a následne difúzna alebo turbomolekulárna výveva, ktorá vytiahne aj posledné zvyšky vzduchu.

Ďalším kritickým komponentom je zdroj vysokého napätia (HV supply). Potrebuješ „negatívnu polaritu“, napätie aspoň 30 až 40 kV a prúd okolo 10 až 20 mA – kombinácia, ktorá môže pri neopatrnosti znamenať smrť. Bežné zdroje pre neónové nápisy (NST) sú príliš slabé. Hľadaj staré zdroje z röntgenových prístrojov, alebo ak máš hlboko do vrecka, profesionálne laboratórne zdroje značiek ako Spellman či Glassman. Mnohí nadšenci si však zdroje stavajú sami z transformátorov a diódových násobičov, čo si ale vyžaduje pokročilé znalosti elektrotechniky.

A čo palivo? Deutérium (ťažký vodík) nie je v drogérii vedľa aviváže. Dá sa kúpiť v tlakových fľašiach od dodávateľov technických plynov, ale často to vyžaduje firmu a byrokraciu. Alternatívou pre chemicky zdatných je elektrolýza ťažkej vody (D₂O), ktorú je možné legálne kúpiť oveľa ľahšie.

LNLL/NIF/Úprava redakcie

Kľúčová otázka znie: Čo musíš vedieť? Musíš byť renesančný človek. Budeš inštalatérom (vákuové tesnenia sú veda sama o sebe), elektrikárom (VN obvody), zámočníkom (úprava komory) a trochu aj fyzikom. Čo sa týka výpočtov, nemusíš odvodzovať Maxwellove rovnice. Komunita fusioneers vytvorila množstvo tabuliek a kalkulačiek na výpočet vodivosti vákua či dimenzovanie mriežky. Stačí vedieť používať Excel a chápať Ohmov zákon.

Posledná a najdôležitejšia vec: Meranie. Ak nemáš dôkaz, nestalo sa to. Pohľad do komory nestačí , pretože žiariaca plazma neznamená fúziu. Potrebuješ detegovať neutróny. Geigerov počítač ti povie, že produkuješ röntgenové žiarenie (čo je dobré vedieť kvôli bezpečnosti), ale fúziu ním nepotvrdíš. Zlatým štandardom pre amatérov sú bublinkové dozimetre (Bubble Detectors) kalibrované na neutróny. Sú imúnne voči elektrickému rušeniu, ktoré fúzor produkuje v obrovských množstvách, a poskytujú vizuálny dôkaz. Pokročilejší stavitelia siahajú po trubiciach plnených Héliom-3 alebo BF₃, tie však vyžadujú zložitú elektroniku na spracovanie signálu.

Ešte dôležitejšie sú poznatky

Ak si myslíš, že stavba fúzora je víkendový projekt, počas ktorého si vypiješ kávu a večer oslavuješ, si na omyle. Úspešná konštrukcia si vyžaduje špecifický mix zručností, ktorý sa u jedného človeka hľadá ťažko. Musíš byť tak trochu MacGyver. Potrebuješ jemnú motoriku hodinára pri skladaní vnútornej mriežky, hrubú silu zámočníka pri vŕtaní do nerezovej ocele a teoretické znalosti fyzika, aby si chápal, prečo sa plazma správa inak, než si čakal.

Najväčšou skúškou však nebude tvoja zručnosť, ale tvoja psychická odolnosť. Kľúčovou vlastnosťou fusioneera je nekonečná trpezlivosť. Boj s vákuom je brutálny. Hľadanie mikroskopickej netesnosti v systéme, kvôli ktorej nemôžeš dosiahnuť potrebný tlak, ti môže zabrať týždne frustrácie. Vyžaduje sa absolútna precíznosť a čistota. Jeden mastný odtlačok prsta vnútri komory môže uvoľňovať plyny (outgassing), ktoré znečistia plazmu a znemožnia fúziu. A nad tým všetkým musí stáť neustála paranoja a opatrnosť. Rutina zabíja. Ak prestaneš rešpektovať vysoké napätie, bude to posledná chyba, ktorú urobíš.

A teraz tá najnepríjemnejšia časť, ktorou sú peniaze. Fúzia v garáži nie je lacný špás. Ak si mimoriadne šikovný v hľadaní vyradeného laboratórneho vybavenia a recyklácii starých röntgenov, možno sa vôjdeš do sumy okolo 1 000 až 1 500 eur. To je však spodná hranica pre funkčný systém, ktorý reálne produkuje neutróny. Realistickejší rozpočet pre stabilné a bezpečné zariadenie, vrátane kvalitného merania (ktoré samotné môže stáť stovky eur), sa pohybuje medzi 2 000 až 4 000 eurami. No a horná hranica neexistuje, profesionálne komponenty môžu cenu vyhnať do astronomických výšin.

Stojí to za to? Minúť tisíce eur, stovky hodín času a riskovať zdravie kvôli zariadeniu, ktoré len „svieti“ a spotrebuje viac energie ako celá tvoja domácnosť? Racionálna odpoveď znie: nie. Ale tá emocionálna a vedecká kričí áno. Pretože v momente, keď tvoj detektor potvrdí tok neutrónov, prestávaš byť len kutilom. Stávaš sa jedným z mála ľudí na tejto planéte, ktorí na vlastné oči videli a vlastnými rukami stvorili proces, ktorý dáva život celému vesmíru. Opatrnosť a vlastná zodpovednosť sú tu však prvoradé.

Čítajte viac z kategórie: Novinky