Na februárovej konferencii Google Solve for X urobil bývalý zamestnanec Lockheed Martin prekvapivé vyhlásenie. Oznámil, že tím vedcov pod jeho vedením je blízko k efektívnemu riešeniu jedného z najťažších problémov modernej fyziky – spusteniu a udržaniu riadenej termonukleárnej fúznej reakcie (CNF). Okrem toho má výskumný tím v úmysle do roku 2017 postaviť prototyp kompaktného 100 MW reaktora – pozrite si video.

Prezentáciu predniesol Charles Chase, ktorý pracoval ako inžinier a vedúci oddelenia v oddelení pokročilého vývoja spoločnosti Lockheed Martin. Tajná kancelária sa oficiálne volá divízia Advanced Development Project. Vo svete je známejšia pod zvláštnym názvom Skunk works, ktorý dostala v šesťdesiatych rokoch kvôli vášni zamestnancov pre humorný komiks o tajnom recepte na moonshine od skunkov. Úrad dokonca dostal zodpovedajúci znak, ktorý je možné vidieť na všetkých diapozitívoch.

Napriek hravému názvu sa v stenách kancelárie vyvinuli veľmi vážne projekty. Sú medzi nimi strategické nadzvukové prieskumné lietadlo SR-71 Blackbird, taktické úderné lietadlo F-117 Night Hawk, UAV RQ-170 Sentinel, desiatka ďalších stealth lietadiel a plavidlo Sea Shadow.

Charles Chase vyštudoval Kalifornskú univerzitu v Berkeley. Vyštudoval Fakultu elektroniky a informatiky v roku 1985 a v rokoch 1986 až 2004 pracoval pre Lockheed Martin. V súčasnosti je spoluzakladateľom súkromnej spoločnosti CBH Technologies, no počas prezentácie sa on a vývoj, ktorý nazval, naďalej stotožňovali so spoločnosťou Lockheed Martin.

Podľa Charlesa sa fyzici v snahe vyriešiť problém CTS už pol storočia uberali nesprávnym smerom. Verí, že tokamaky nemajú budúcnosť, a o projekte ITER hovorí s veľkými pochybnosťami.

Alternatívny prístup, ktorý navrhuje, je zároveň opísaný len najvšeobecnejšie a vyvoláva oveľa viac pochybností. V úvode sa spomína, že 1,3 miliardy ľudí na svete stále nemá trvalý prístup k elektrickej energii. Do roku 2050 sa existujúce potreby zdvojnásobia, čo povedie k výstavbe tisícok nových elektrární, na ktoré nie je dostatok paliva.

Charles prechádza od dramatickej časti k tej optimistickej. Snímka demonštruje známu reakciu jadier deutéria a trícia, ktorá vedie k vytvoreniu jadra hélia a voľného neutrónu.

Reakcia deutéria + trícia (snímka z prezentácie Charlesa Chasea)

Problém indukovanej rádioaktivity z neutrónového žiarenia nie je len tak zamlčaný – reproduktor deklaruje nulové emisie a úplnú absenciu radiačného nebezpečenstva.

Princíp činnosti je opísaný nejasne. Spomína sa rádiofrekvenčné ožarovanie plynného deutéria a trícia, ktorého zdrojom je lítium. Energetický výťažok reakcie sa odhaduje na 17,6 MeV (referenčná hodnota). Charles však naďalej argumentuje, akoby takmer všetku túto energiu mal k dispozícii spotrebiteľ vďaka jeho inštalácii. Dokonca menuje aj konkrétne dátumy, kedy bude „prakticky nevyčerpateľný“ zdroj energie masívne dostupný.

Medzitým je na spustenie reakcie (ako aj jej udržanie) spočiatku potrebné značné množstvo energie. Aby bol konečný zostatok kladný, musia byť splnené aspoň tri hlavné podmienky. Je potrebné dosiahnuť vysokú teplotu plazmy (viac ako 100 miliónov K), schopnosť udržať ju dostatočne dlho v stave ultravysokej hustoty a technickú schopnosť zužitkovať uvoľnenú energiu.

O prvých dvoch podmienkach Charles hovorí len to, že nový reaktor využíva inú konfiguráciu magnetického poľa. Čo presne je na nej iné? Prečo je to lepšie ako tokamaky a stelarátory? Žiadna odpoveď. Tretiu podmienku, odkazujúcu na klasické spôsoby využitia tepelnej energie, rečník úplne zavrhuje. Mierne povedané, nie sú veľmi účinné.

Pri kritike tokamakov Charles používa zastarané údaje a nespomína H-mód objavený v roku 1982. V režime „high fashion“ (Paríž s tým nemá nič spoločné) sa straty energie v tokamakoch znížia dvojnásobne alebo viac. Takýto spôsob fungovania stelarátorov dáva zisk iba tretiny, ale aké sú výsledky tímu Chase?

Je prekvapujúce, že rečník je pripravený pomenovať konkrétne hodnoty a výrazy bez toho, aby uviedol, ako boli vo všeobecnosti vypočítané. Snímka napríklad zobrazuje nákladné auto s inštalovaným 100 MW reaktorom. Toto je ilustrácia úrovne Futurama. Na ďalšej snímke je fialová škvrna označená ako „Experiment T4. Nová konfigurácia magnetického poľa“.

Charles ústne poznamenáva, že toto je časť komory s priemerom asi meter a dĺžkou dva metre (corktron?), v ktorej „môžete vidieť plazmu“. S poriadnou dávkou fantázie v tejto abstrakcii môžete vidieť vôbec čokoľvek.

Dôvera vo vytvorenie funkčného prototypu za štyri roky a dosiahnutie priemyselnej úrovne o ďalších desať rokov znamená už teraz vysoký stupeň pripravenosti projektu. Zvyčajne sa to dá posúdiť podľa mnohých vedeckých publikácií, ktoré odolali vážnej kritike zo strany kolegov.

Podľa článkov z rôznych rokov možno sledovať postupný pokrok laboratórneho výskumu a vývoj pilotného zariadenia. Tokamaky kritizované v prezentácii a projekt ITER toto všetko majú, ale „experiment T4“ Charlesa Chasea nie. Skutočnosť, že prejav k širokému publiku bol prednesený pred diskusiou s pozitívnym výsledkom vo vedeckých kruhoch, nás znepokojuje.

Španielski inžinieri vyvinuli prototyp ekologického reaktora na inerciálnu plazmovú fúziu, ktorý namiesto štiepenia využíva jadrovú fúziu. Tvrdí sa, že vynález výrazne ušetrí palivo a zabráni znečisťovaniu životného prostredia.

Jose González Diez, profesor Polytechnickej univerzity v Madride, si nechal patentovať reaktor, ktorý ako palivo využíva izotop vodíka, ktorý je možné izolovať z vody, čo umožňuje výrazné úspory pri výrobe elektriny. Syntéza v reaktore prebieha pomocou laserového žiarenia s výkonom 1000 MW.

Jadrová fúzia sa mnoho rokov skúmala s cieľom poskytnúť alternatívu jadrového štiepenia z hľadiska bezpečnosti a finančných výhod. Dnes však neexistuje jediný fúzny reaktor na výrobu kontinuálnej vysokonapäťovej elektrickej energie. Príkladom prírodného termonukleárneho reaktora je Slnko, vo vnútri ktorého sa plazma zohriata na obrovské teploty udržiava v stave vysokej hustoty.

V rámci projektu Fusion Power vytvoril González Diez prototyp fúzneho reaktora s inerciálnym obmedzením plazmy. Syntéznu komoru reaktora je možné prispôsobiť typu použitého paliva. Teoreticky možné reakcie môžu byť deutérium-trícium, deutérium-deutérium alebo vodík-vodík.

Rozmery komory, ako aj jej tvar je možné prispôsobiť v závislosti od druhu paliva. Okrem toho bude možné meniť tvar vonkajšieho a vnútorného vybavenia, typ chladiacej kvapaliny atď.

Podľa kandidáta fyzikálnych a matematických vied Borisa Boyarshinova sa projekty na vytvorenie termonukleárneho reaktora realizujú už štyridsať rokov.

„Od 70. rokov je problém riadenej termonukleárnej fúzie akútny, ale doteraz boli početné pokusy o vytvorenie termonukleárneho reaktora neúspešné. Práce na jeho vynáleze stále prebiehajú a s najväčšou pravdepodobnosťou budú čoskoro korunované úspechom,“ poznamenal pán Boyarshinov.

Vladimir Chuprov, vedúci energetického programu v Greenpeace Rusko, je skeptický k myšlienke využitia termonukleárnej fúzie.

„Toto nie je ani zďaleka bezpečný proces. Ak položíte „prikrývku“ uránu-238 vedľa termonukleárneho reaktora, potom všetky neutróny pohltí tento obal a urán-238 sa zmení na plutónium-239 a 240. Z ekonomického hľadiska, aj keď termonukleárna fúzia možno implementovať a uviesť do komerčnej prevádzky, jeho cena je taká, že nie každá krajina si to môže dovoliť, už len preto, že na obsluhu tohto procesu je potrebný veľmi kompetentný personál,“ hovorí ekológ.

Práve zložitosť a vysoká cena týchto technológií je podľa neho kameňom úrazu, o ktorý zakopne každý projekt, aj keď prebieha na technickej úrovni. „Aj keby sa to podarilo, maximálna inštalovaná kapacita fúznych elektrární do konca storočia bude 100 GW, čo sú asi 2 % toho, čo bude ľudstvo potrebovať. Výsledkom je, že termonukleárna fúzia nerieši globálny problém,“ je si istý pán Chuprov.

„Lockheed Martin začal s vývojom kompaktného fúzneho reaktora... Na webovej stránke spoločnosti sa uvádza, že prvý prototyp postavia o rok. Ak sa ukáže, že je to pravda, o rok budeme žiť v úplne inom svete,“ to je začiatok jedného z „podkrovia“. Od jej vydania ubehli tri roky a svet sa odvtedy veľmi nezmenil.

Dnes v reaktoroch jadrových elektrární vzniká energia rozpadom ťažkých jadier. V termonukleárnych reaktoroch sa energia získava pri procese fúzie jadier, pri ktorom vznikajú jadrá menšej hmotnosti ako je súčet pôvodných a „zvyšok“ odchádza vo forme energie preč. Odpad z jadrových reaktorov je rádioaktívny a ich bezpečná likvidácia je veľkou bolesťou hlavy. Fúzne reaktory nemajú túto nevýhodu a tiež používajú široko dostupné palivá, ako je vodík.

Majú len jeden veľký problém – priemyselné vzory zatiaľ neexistujú. Úloha nie je jednoduchá: pre termonukleárne reakcie je potrebné palivo stlačiť a zohriať až na stovky miliónov stupňov – teplejšie ako na povrchu Slnka (kde termonukleárne reakcie prirodzene prebiehajú). Je ťažké dosiahnuť takú vysokú teplotu, ale je to možné, len taký reaktor spotrebuje viac energie ako vyprodukuje.

Stále však majú toľko potenciálnych výhod, že do vývoja sa samozrejme nezapája len Lockheed Martin.

ITER

ITER je najväčší projekt v tejto oblasti. Zúčastňujú sa na ňom Európska únia, India, Čína, Kórea, Rusko, Spojené štáty americké a Japonsko a samotný reaktor sa od roku 2007 stavia vo Francúzsku, hoci jeho história siaha oveľa hlbšie do minulosti: Reagan a Gorbačov sa zhodli na jeho vznik v roku 1985. Reaktor je toroidná komora, „šiška“, v ktorej je plazma držaná magnetickými poľami, a preto sa nazýva tokamak - potom rhoidálny ka merať s ma hnilé do atushkas. Reaktor bude generovať energiu fúziou izotopov vodíka – deutéria a trícia.

Plánuje sa, že ITER dostane 10-krát viac energie, ako spotrebuje, ale tak skoro sa to nestane. Pôvodne sa plánovalo, že reaktor začne pracovať v experimentálnom režime v roku 2020, ale potom sa toto obdobie posunulo na rok 2025. Priemyselná výroba energie sa zároveň začne najskôr v roku 2060 a na rozšírenie tejto technológie je možné len čakať niekde na konci 21. storočia.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X je najväčší stelarátorový fúzny reaktor na svete. Stellarátor rieši problém, ktorý tokamaky straší – „šírenie“ plazmy zo stredu torusu na jeho steny. To, s čím sa tokamak snaží vysporiadať svojim silným magnetickým poľom, rieši stelarátor svojim zložitým tvarom: magnetické pole zadržiavajúce plazmu sa ohýba, aby zastavilo prenikanie nabitých častíc.

Wendelstein 7-X, ako dúfajú jeho tvorcovia, bude môcť v 21. roku pracovať pol hodiny, čo dá „vstupenku do života“ myšlienke termonukleárnych staníc podobného dizajnu.

National Ignition Facility

Iný typ reaktora využíva výkonné lasery na kompresiu a ohrev paliva. Bohužiaľ, najväčšia laserová inštalácia na získavanie termonukleárnej energie, americká NIF, nedokázala vyrobiť viac energie, ako spotrebuje.

Ktorý z týchto projektov sa skutočne „rozbehne“ a ktorý postihne osud NIF, je ťažké predpovedať. Zostáva čakať, dúfať a sledovať správy: roky 2020 sľubujú, že budú pre jadrovú energiu zaujímavým obdobím.

"Jadrové technológie" - jeden z profilov NTI olympiády pre školákov.

Vedci z Ústavu jadrovej fyziky Sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied (BINP SB RAS) majú v úmysle na svojom ústave vytvoriť funkčný model termonukleárneho reaktora. Táto publikácia "Sib.fm" povedal vedúci projektu, doktor fyzikálnych a matematických vied Alexander Ivanov.

Na spustenie projektu „Vývoj základov a technológií termonukleárnej energie budúcnosti“ získali vedci vládny grant. Celkovo budú vedci potrebovať na vytvorenie reaktora asi pol miliardy rubľov. Ústav sa chystá zariadenie postaviť do piatich rokov. Ako bolo uvedené, výskum súvisiaci s riadenou termonukleárnou fúziou, najmä fyzikou plazmy, sa v INP SB RAS už dlho vykonáva.

„Až doteraz sme sa zaoberali fyzikálnymi experimentmi, aby sme vytvorili triedu jadrových reaktorov, ktoré možno použiť pri fúznych reakciách. V tomto sme pokročili a stáli sme pred úlohou postaviť prototyp termonukleárnej stanice. K dnešnému dňu sme nazhromaždili základňu a technológiu a sme plne pripravení začať pracovať. Pôjde o plnohodnotný model reaktora, ktorý môže slúžiť na výskum alebo napríklad na spracovanie rádioaktívneho odpadu. Existuje veľa technológií na vytvorenie takéhoto komplexu. Sú nové a zložité a ich zvládnutie trvá nejaký čas. Všetky úlohy fyziky plazmy, ktoré budeme riešiť, sú relevantné pre svetovú vedeckú komunitu,“ povedal Ivanov.

Na rozdiel od klasickej jadrovej energie má termonukleárna energia využívať energiu uvoľnenú pri tvorbe ťažších jadier z ľahkých. Ako palivo sa počíta s využitím izotopov vodíka - deutéria a trícia, avšak INP SB RAS bude pracovať len s deutériom.

„Budeme vykonávať iba simulačné experimenty s generovaním elektrónov, ale všetky parametre reakcie budú zodpovedať skutočným. Nebudeme vyrábať ani elektrinu – iba dokážeme, že reakcia môže prebiehať, že sa dosiahli parametre plazmy. Aplikované technické úlohy budú implementované v iných reaktoroch,“ povedal Jurij Tichonov, zástupca riaditeľa Inštitútu pre výskum.

Reakcie zahŕňajúce deutérium sú relatívne lacné a majú vysoký energetický výťažok, ale produkujú nebezpečné neutrónové žiarenie.

„V existujúcich zariadeniach sa dosiahla teplota plazmy 10 miliónov stupňov. Ide o kľúčový parameter, ktorý určuje kvalitu reaktora. Dúfame, že zvýšime teplotu plazmy v novovytvorenom reaktore dvakrát alebo trikrát. Na tejto úrovni budeme môcť použiť inštaláciu ako neutrónový budič pre energetický reaktor. Na základe nášho modelu je možné vytvoriť bezutrónové reaktory trícium-deutérium. Inými slovami, zariadenia, ktoré sme vytvorili, umožnia vytvoriť palivo bez neutrónov,“ vysvetlil Alexander Bondar, ďalší zástupca riaditeľa pre výskum v INP SB RAS.