Keď sa plyn stlačí, ohreje sa – možno to poznáte z dofukovania bicyklovej duše. Keď sa Lord Kelvin zamyslel nad tým, odkiaľ berie Slnko energiu, objavil sa logický nápad: čo ak sa Slnko jednoducho stláča?
Pekný nápad, ale nesedel. Vieme si zmerať, koľko energie k nám prichádza zo Slnka a aký musí mať výkon – a takto získaná energia by sa minula za 20 miliónov rokov. Rýchlo sme však našli iné vysvetlenie. Dva protóny a dva neutróny vážia dokopy viac, než váži hélium, a to podľa vzorca E = mc² znamená, že sa pri vzniku hélia energia uvoľní.
Znovu pomerne rýchlo prišla otázka: nevieme to zreprodukovať na Zemi? Vieme. Treba na to veľký tlak a teplotu – ako na Slnku. Protóny totiž majú rovnaký náboj a odpudzujú sa, takže ich musíte riadne natlačiť do seba. Ruku k dielu priloží kvantové tunelovanie a voilá – získavate energiu spájaním vodíka.
Kde takéto podmienky dosiahnuť? Napríklad pri výbuchu bomby. Alebo lepšie – pod kontrolou v reaktore.
Ak chcete dosiahnuť vysoké teploty a tlaky a zároveň si nezničiť reaktor, musíte horúcu plazmu (všetko dostatočne horúce sa stáva plazmou – najprv sa látka vyparí, potom sa odtrhnú elektróny) izolovať, napríklad pomocou magnetických polí.
Na aké palivo to šlape? Treba izotopy vodíka: deutérium a trícium. Deutéria je v oceánoch na desiatky miliárd rokov dopredu. Trícium je zložitejšie – dá sa získať, no je to náročné. Ak však do fúzneho reaktora pridáte aj lítium, fúzna reakcia po prvej reakcii s tríciom spustí druhú reakciu s lítiom, z ktorej trícium vznikne – a tak ho môžete točiť dookola.
Ideálne funguje tento proces pri teplote približne 200 miliónov Kelvinov, a na zachytenie plazmy sú potrebné pomerne silné magnetické polia – ale dá sa to. Asi ste počuli ten vtip: „Jadrová fúzia bude vždy o 30 rokov.“ Takže, kde je problém?
V cene. Jadrovú fúziu vieme dosiahnuť už teraz – napríklad britský reaktor JET vyrábal sekundy fúznej energie s výkonom niekoľkých megawattov. Vo Francúzsku budovaný ITER má podľa simulácií dosiahnuť na niekoľko minút výkon stoviek megawattov. Takže vyrábať fúznu energiu v skutočnosti nie je problém – vieme to už teraz. Čo je problém? Cena.
Reaktor ITER stojí desiatky miliárd eur a bude – prerušovane – dosahovať síce enormný výkon, no stále menší než bežná (štiepna) jadrová elektráreň. Znamená to, že sú fúzne elektrárne slepá cesta? Bolo lákanie bezodpadovej jadrovej energie s bežne dostupným palivom falošným lákadlom? Nie. Poďme – konečne – na fyziku!
Plazma držaná magnetickými poliami sa víri a správa sa podľa zložitých zákonov magnetohydrodynamiky. Víry urýchľujú prenášanie energie von z reaktora. To je dobré, keďže ju chceme postupne získavať a využívať. Ak sa to však deje prirýchlo, reakcia vychladne.
Dá sa spočítať, že sebaudržateľnosť reakcie závisí od troch parametrov: veľkosti reaktora R, sily magnetického poľa B a faktora H, ktorý charakterizuje „vírivosť“ plazmy.
Platí, že reakcia sa udrží, ak , teda kombinácia (umocnených) faktorov musí byť väčšia než istá konštanta.
Ak napríklad vytvoríme 2× silnejšie magnetické pole, reakcia sa bude udržiavať 2⁴, teda 16× lepšie. To je však problém – už teraz sa používajú veľmi silné magnety. Stále je priestor na zlepšenie, no veľmi nás to už ďalej nepustí.
Druhá možnosť je zväčšovať reaktory, teda zvyšovať ich polomer R. To sa dá a robíme to (ITER bude 2× väčší ako JET), no stojí to peniaze – a tým pádom začne byť vyrobená energia drahšia než z iných zdrojov.
A tak je najlepšia možnosť navrhnúť taký dizajn magnetov a magnetických polí, aby sa plazma vírila čo najvhodnejšie a udržala energiu čo najdlhšie. Ako na to? Nevieme. O tom je veľká časť výskumu jadrovej fúzie.
Istý prísľub prináša AI. Má to však háčik – dobre funguje tam, kde máme veľa dát. Ideálne by sme potrebovali obrovský katalóg dizajnov magnetov, magnetických polí a plaziem, ktoré sa v nich udržiavajú pri 200 miliónoch stupňov. Ale ten nemáme.
Každopádne – od lacnej fúznej energie nás možno delí jeden dobrý nápad. Jeden dokonalý dizajn. Jedna – znie ako rozumne malé číslo, no treba si pripomenúť, že ľudstvo zápasilo dlhú dobu aj s problémami, ktoré vyzerali zvládnuteľne. A niektoré zdanlivo jednoduché problémy sme nevyriešili dodnes.
[Samuel]