Prelom vo fúznej energii. Vedci našli skratku, ako sa dostať k svätému grálu energetiky

Slnko predstavuje dokonalú ukážku jadrovej fúzie, kde extrémne teploty a tlaky spájajú jadrá vodíka na hélium a uvoľňujú obrovské množstvo energie. Zopakovať tento proces v laboratóriách na Zemi sa však dlhodobo ukazuje ako mimoriadne náročná výmena síl s fyzikálnymi zákonmi.

Vedci z Princetonskej univerzity teraz publikovali štúdiu v odbornom časopise Physical Review Letters, ktorá prináša prelomový pohľad na to, ako sa k udržateľnej jadrovej fúzii môžeme dopracovať podstatne rýchlejšie a efektívnejšie, upozorňuje ScienceAlert.

Nová práca totiž definuje efektívnu skratku k takzvanému zapáleniu plazmy, teda stavu, v ktorom si plazma dokáže udržiavať potrebnú teplotu prostredníctvom vlastných fúznych reakcií bez dodatočného vonkajšieho ohrevu.

Efektívnejšie dosiahnutie fúzie

Fyzici prirovnávajú tento princíp k jednoduchej metafore. Ak si dosiahnutie zapálenia predstavíme ako údolie ukryté za horským masívom, doterajšie pokusy sa väčšinou spoliehali na zdolávanie vrcholu priamym výstupom, čo vyžaduje obrovské množstvo energie.

Nový prístup vedcov však navrhuje celú prekážku obísť. Ako uvádza fyzik Luis Delgado-Aparicio, množstvo spoločností sa snaží zdolať horu čelne a míňa obrovské množstvo energie, pričom obchádzka vrcholu umožňuje dosiahnuť rovnaký cieľ oveľa inteligentnejším spôsobom a s podstatne nižšou spotrebou energie.

Základom novej štúdie je rozšírenie klasického Lawsonovho kritéria, ktoré bolo vyvinuté ešte v päťdesiatych rokoch minulého storočia a stanovuje základný rámec pre dosiahnutie fúzneho zapálenia v reaktore.

Výskumníci do svojich matematických modelov zakomponovali ďalšie štyri kľúčové faktory, ktoré v starších kalkuláciách často absentovali alebo sa neposudzovali spoločne. Ide o vyhorené palivo v podobe héliového popola, nečistoty v plazme pochádzajúcej zo stien reaktora, radiačné straty známe ako synchrotronové žiarenie a únik tepla z plazmy do okolia.

Spomínané vplyvy sa síce študovali aj v minulosti, avšak nikdy nie v komplexnej vzájomnej interakcii, ktorá poskytuje omnoho reálnejší obraz o optimálnej konfigurácii moderných fúznych zariadení.

Dlhá cesta k praktickému využitiu

Podľa Masayukiho Onoa sa pri vynechaní týchto faktorov zdá, že návrh reaktora bude fungovať bezchybne, no po ich zohľadnení sa situácia zásadne mení a ich vplyv je kľúčový. Výskumníci sa v rámci modelovania zamerali na takzvané Cordeyho sedlo, čo je matematický termín označujúci najefektívnejšiu cestu k zapáleniu vyžadujúcu minimálne energetické náklady.

Christopher Roux, EUROfusion/Wikimedia

Výpočty ukázali, že najvhodnejšou stratégiou je najskôr plazmu ohriať a až následne zvýšiť jej hustotu, a nie postupovať naopak, ako to bývalo zvykom pri mnohých doterajších experimentoch.

Modelovanie prinieslo aj ďalšie dôležité zistenia, napríklad fakt, že aj minimálne množstvo volfrámu môže viesť k zlyhaniu fúznej reakcie. Vzhľadom na to, že volfrám sa plánuje využívať v stenách viacerých pripravovaných reaktorov kvôli jeho vysokej odolnosti voči vysokým teplotám, plazma bude musieť byť pred kontaktom s týmto materiálom dôkladne chránená.

Výskumný tím navyše identifikoval prirodzené stabilizačné brzdy fúzie, pri ktorých únik žiarenia a tepla pomáha udržiavať stabilitu plazmových reakcií, hoci zároveň sťažujú samotné počiatočné zažatie procesu.

Hoci najnovšia štúdia zatiaľ nezahŕňa praktické experimenty v reálnom zariadení, prichádza v čase, keď sa navrhuje a projektuje hneď niekoľko nových fúznych reaktorov po celom svete. Publikované výsledky poskytujú inžinierom a fyzikom cenný teoretický základ pre posudzovanie stability, výkonu a prístupnosti zapálenia v zariadeniach novej generácie.

Čítajte viac z kategórie: Novinky