Andrej Žiarovský v podcaste VUJE #15 objasňuje tajomstvá jadrovej fúzie. Prečo vodíková bomba dávno existuje, ale fúzna elektráreň stále nevznikla

Problematiku fúznej reakcie detailne rozoberá náš riaditeľ pre strategický rozvoj a medzinárodné projekty spoločnosti a člen predstavenstva Andrej Žiarovský v PodcastVUJE #15.

Sledujte na YouTube: bit.ly/3DzwhuH

Procesy jadrových reakcií ako fúzia a štiepenie sa riadia veličinou zvanou väzbová energia, tj. energia, ktorá drží pohromade atómové jadro. Grafickým znázornením priebehu väzbovej v závislosti od nukleonového čísla je krivka, ktorej vrchol predstavuje železo 56. Železo, ktoré vzniká ako posledný prvok jadrových reakcií prebiehajúcich vo hviezdach, je tak fyzikálne najstabilnejším prvkom vo vesmíre. „Teda takmer najstabilnejším, pretože tým úplne najstabilnejším nuklidom je nikel 62, ktorý však v hviezdach vzniká veľmi zriedkavo“, upresňuje Andrej Žiarovský.

Medzi najvýznamnejších vedcov, ktorí skúmali fúzne reakcie patria Arthur Eddington, William Draper Harkins, John Cockroft alebo tiež nemecký vedec Hans Bethe, ktorého práca zásadne prispela k pochopeniu termonukleárnych reakcií vo hviezdach. Tieto objavy viedli k snahám o napodobnenie fúznych procesov, ktoré sa dejú vo hviezdach a v Slnku.

Skúmaním energetických pomerov jednotlivých fúznych reakcií bolo objavené Lawsonovo kritérium. Z neho vyplynulo, že z energetického hľadiska sa najvýhodnejšou reakciou javí fúzia deutéria a trícia, tzv. D-T reakcia. Aj tak je ale na spustenie a udržanie tejto fúznej reakcie potrebné dosiahnuť teplotu v rádoch desiatok miliónov stupňov Celzia.

Na spôsob ako spustiť fúznu reakciu na Zemi prišiel Edward Teller, jeden z najvýznamnejších vedcov 20. storočia. Pre iniciovanie fúznej reakcie sa Teller rozhodol využiť plutóniovú štiepnu bombu, na vývoji ktorej sa podieľal v rámci projektu Manhattan. Teller zároveň vypočítal, že fúzna reakcia bude približne štyrikrát energeticky výkonnejšia ako štiepna reakcia, ktorá nastáva pri uráne-235 alebo plutóniu-239.

Vodíková bomba – príklad neriadenej termonukleárnej fúzie

Vodíková bomba funguje vďaka Teller-Ulamovmu systému, ktorý na iniciáciu fúznej reakcie využíva gama a röntgenové žiarenie, vznikajúce práve pri explózii plutóniovej bomby. Ale práve to, že na spustenie fúznej reakcie bola použitá bomba, spôsobilo, že táto reakcia sa v podstate nedá riadiť.

„Bol to zase Teller, kto prišiel s myšlienkou, že vysoko energetické neutróny, vznikajúce pri fúzii deutéria a trícia, dokážu efektívne štiepiť dokonca aj inak veľmi neochotne sa štiepiaci urán-238. Implementáciou tohto objavu došlo k zásadnému zvýšeniu sily explózie termonukleárnej zbrane. Tento princíp bol potvrdený v prvých testoch termonukleárnych zbraní v USA aj v Sovietskom zväze v prvej polovici 50. rokoch 20. storočia,“ hovorí Andrej Žiarovský.

Fúznu elektráreň dodnes nemáme, pretože v našich zariadeniach ešte stále nedokážeme udržať extrémne podmienky potrebné pre stabilnú fúznu reakciu, ktorá by generovala pozitívnu energetickú bilanciu, tzv. kladný koeficient zosilnenia v kontrolovanom prostredí.

Aby kladné jadrá atómov pri fúzii prekonali odpudivé Coulombove sily, je nevyhnutné vytvoriť plazmu ionizáciou plynného vodíka. Poznáme dva základné spôsoby ako spustiť a udržať fúznu reakciu. Prvým spôsobom je magnetické udržanie. Na tomto princípe fungujú tokamaky a stelerátory, kde sa podmienky pre fúzne reakcie dosahujú pôsobením extrémne silného elektromagnetického poľa, vznikajúceho vo výkonných supravodivých cievkach. Druhým spôsobom je inerciálne udržanie. Tu sa podmienky pre vznik a udržanie fúznej reakcie dosahujú prostredníctvom pôsobenia výkonných laserových lúčov. 

V tomakakoch a stelarátoroch už vieme dlhodobo udržať stabilnú plazmu, ale doteraz sa v nich nepodarilo dosiahnuť kladný koeficient zosilnenia. Vedcom z amerického National Ignition Facicity sa pri tzv. inerciálne laserom udržiavanej fúzii síce podarilo dosiahnuť tzv. pozitívny koeficient zosilnenia reakcie na úrovni 1,54, táto bilancia však nezahrnovala energiu potrebnú na vytvorenie samotných laserových lúčov a samotná fúzna reakcia trvala zlomok sekundy.

Napriek významným pokrokom pri výskume fúznych reakcií možnosť reálneho využitia fúzie  pri výrobe elektriny stále zostáva dosť vzdialená. Najnádejnejším projektom priblíženia sa k vzniku fúznej elektrárne je v súčasnosti dokončovaný medzinárodný tokamak ITER, ktorý sa stavia v Európe, vo francúzskom výskumno-vývojovom centre Cadarache. Jeho spustenie sa ale bohužiaľ opakovane odkladá a prvé výsledky experimentov sa očakávajú v rokoch 2033 až 2038. Od ITERu, ktorý bude mať výkon 500 MW sa očakáva, že dosiahne koeficient zosilnenia na úrovni 10. A tak ako sa posúva spustenie tokamaku ITER, tak sa odkladá aj začiatok výstavby prvej fúznej elektrárne DEMO, ktorého by sme sa mohli dočkať niekedy okolo roku 2040.

Na záver len zopakujeme, že podrobný pohľad na problematiku jadrovej fúzie, ktorý prináša náš riaditeľ pre strategický rozvoj a medzinárodné projekty VUJE, a. s., Andrej Žiarovský, sledujte a počúvajte v našom podcaste VUJE #15 spolu s ďalšími videami na našom YouTube kanáli.