Vedci vyriešili 20 rokov starý spor. Diamant môže strojnásobiť energetický zisk z jadrovej fúzie

Vedci stlačili diamant na tlak okolo jedného terapascala a sledovali jeho atómovú štruktúru až do okamihu roztavenia. Prelomový výsledok vyriešil dve desaťročia starý spor a zároveň ukázal, že laserová jadrová fúzia môže používať šetrnejší prvotný impulz, ktorý podľa modelov výrazne zvýši energetický zisk.

Diamant nie je vo fúzii na ozdobu

Diamant si väčšina ľudí spája so šperkami, v americkom National Ignition Facility však plní úplne inú úlohu. V experimentoch s inerčným udržaním fúzie tvorí uhlíková vrstva vonkajšiu časť miniatúrnej kapsuly s palivom z deutéria a trícia.

Pri výstrele na NIF zasiahne cieľ sústava 192 laserových lúčov. Energia vytvorí extrémne podmienky, vonkajšia vrstva kapsuly sa prudko odparuje a zvyšok sa obrovskou silou rúti dovnútra. Palivo sa stlačí a zahreje natoľko, aby sa jadrá vodíkových izotopov začali spájať.

Práve správanie diamantovej vrstvy patrí medzi detaily, ktoré rozhodujú o výsledku. Ak sa kapsula nestláča dostatočne rovnomerne, drobné nerovnosti a hydrodynamické nestability môžu pokus pripraviť o veľkú časť výkonu. LLNL preto potrebuje presne vedieť, kedy diamant pri prvom náraze prestane byť pevnou látkou.

Problém bol, že experimenty a najlepšie kvantové simulácie sa v tejto otázke približne 20 rokov rozchádzali asi o 20 %. Staršie merania určovali teplotu topenia diamantu vyššie, než predpovedali modely.

Tlak prekonal vnútro ľadových obrov

Tím Lawrence Livermore National Laboratory preto urobil nové experimenty v zariadení OMEGA Laser Facility na University of Rochester. Do malých vzoriek mikrokryštalického diamantu vyslal laserom vytvorenú rázovú vlnu a sledoval ich pri tlakoch smerujúcich k 1 terapaskalu.

Ide o podmienky, ktoré LLNL prirovnáva k tlakom vyšším než v hlbinách Uránu a Neptúna a približne trojnásobku tlaku v strede Zeme. Stav materiálu pritom existoval iba približne nanosekundu. Vedci počas nej merali teplotu, hustotu, odrazivosť, rýchlosť šoku a pomocou röntgenovej difrakcie priamo sledovali atómovú štruktúru.

Štúdia publikovaná 13. augusta v Nature Physics ukázala topenie pri teplote približne 7 300 kelvinov, pričom s rastúcim tlakom teplota topenia mierne klesala. Nové výsledky sa už zhodujú s kvantovými simuláciami. Autori zároveň ukázali, že diamantová štruktúra vydržala približne do 1 TPa.

Dôležitý je aj ďalší detail. Pri jedinom prudkom šoku vedci nepozorovali pred topením prechod do exotickej kryštalickej fázy uhlíka BC8, ktorý naznačovali niektoré staršie experimenty. Diamant zostal kineticky „uväznený“ vo svojej pôvodnej štruktúre až do roztavenia.

Silnejší úder nemusí byť lepší

Práve tu sa laboratórny experiment prepája s jadrovou fúziou.

NIF dnes používa pomerne silný prvý šok, aby mal istotu, že diamantová kapsula sa roztaví dostatočne skoro a rovnomerne. Nové meranie však naznačuje, že na úplné roztavenie môže stačiť o niečo pomalší prvotný šok.

To je dôležité pre samotné palivo. Slabší úvodný šok ho menej predohreje, takže zostane stlačiteľnejšie. Pri následnej implózii možno deutérium a trícium natlačiť do hustejšieho stavu a z rovnakého množstva laserovej energie vytiahnuť vyšší fúzny výťažok. Výskum NIF už ukazuje, že zníženie takzvanej adiabaty a zvýšenie kompresie patria medzi cesty k vyššiemu výkonu.

LLNL uvádza, že predpovede pre pomalšie počiatočné šoky ukazujú potenciál až trojnásobného zvýšenia energetického zisku, pokiaľ sa podarí udržať pod kontrolou ďalšie mechanizmy, ktoré implóziu zhoršujú. Nejde teda o výsledok, ktorý by vedci už dosiahli novým experimentom. Je to cesta, ktorú presnejšia fyzika diamantu umožňuje otestovať.

Rekord už dnes presahuje štvornásobok

NIF pritom nevychádza z nuly. Pri rekordnom experimente 7. apríla 2025 dodali lasery do terča 2,08 MJ a fúzna reakcia vytvorila 8,6 MJ energie. Takzvaný target gain dosiahol 4,13, teda viac než štvornásobok energie laserového impulzu dopadajúceho na cieľ.

Tu však treba oddeliť fyzikálny rekord od elektrárne. Hodnota 4,13 porovnáva energiu fúzie s energiou laserov dodanou do terča. Nezahŕňa všetku elektrinu potrebnú na prevádzku rozsiahleho laserového zariadenia. Komerčná fúzna elektráreň musí navyše energiu zachytiť, premeniť na elektrinu, opakovať výstrely vysokou frekvenciou a lacno vyrábať obrovské množstvo presných palivových kapsúl.

Aj preto sme pri analýze ekonomiky fúzie upozorňovali, že samotný úspech reakcie ešte automaticky neznamená lacnú elektrinu. Výskum sa už neposúva iba cez otázku, či dokážeme fúziu zapáliť, ale najmä cez to, ako z každého pokusu dostať podstatne viac energie.

Diamantový experiment rieši práve jednu z týchto drobných, ale zásadných prekážok. Vedci nezískali nový zdroj energie roztavením diamantu. Získali presnejší návod, ako sa pri extrémnych podmienkach správa materiál, od ktorého závisí kvalita celej implózie.

A výsledok má ešte jeden bonus. Nové dáta pomôžu spresniť modely Uránu a Neptúna, kde sa podľa niektorých teórií môže uhlík oddeľovať, kryštalizovať a padať hlbšie do planéty ako povestný „diamantový dážď“. Pri extrémnom tlaku sa navyše roztavený uhlík správa nezvyčajne. Kvapalná fáza je hustejšia než pevný diamant, takže by diamant v tekutom uhlíku plával podobne ako ľad vo vode.

Čítajte viac z kategórie: Novinky