Fúzní energie by mohla způsobit revoluci v našem energetickém systému. Ale po desetiletích výzkumu je stále mimo dosah.
Justine Calma, vědecká reportérka zabývající se životním prostředím, klimatem a energií s desetiletou zkušeností. Je také hostitelkou podcastu Hell or High Water.
15. prosince 2022, 12:30 UTC | Komentáře
Sdílejte tento příběh
Pokud si něco koupíte prostřednictvím odkazu Verge, Vox Media může získat provizi. Podívejte se na naše etické prohlášení.
Jaderná fúze je opět ve zprávách. Tento týden americké ministerstvo energetiky oznámilo to, co nazvalo „velkým vědeckým průlomem“ ve výzkumu energie z jaderné syntézy: poprvé experiment s jadernou fúzí vyprodukoval více energie, než je energie použitá k nastartování reakce. Není to poprvé, co slyšíme o pokroku v oblasti fúze. Objevily se desítky let titulků propagujících velké i malé objevy, které obvykle naznačovaly, že jsme blíže než kdy jindy generování veškeré čisté energie, kterou kdy budeme potřebovat, z jaderné fúze.
„Velký vědecký průlom“ ve výzkumu energie z jaderné syntézy
Je toho hodně, takže Verge s pomocí několika odborníků dát dohromady tohoto průvodce energií z jaderné syntézy. Níže jsme shrnuli sny vědců o fúzi a také drsnou realitu, které technologie čelí, aby přenesla sílu fúze z vědeckých ambicí do komerční reality.
Co je jaderná fúze?
Jaderná fúze byla po větší část století nepolapitelným energetickým snem. Teoreticky to zní nějak jednoduše. Hvězdy, včetně našeho Slunce, vytvářejí svou vlastní energii procesem zvaným fúze, při kterém se atomy spojují při vysokých teplotách a tlacích a vytvářejí těžší atom. Typicky to zahrnuje spojení atomů vodíku za vzniku helia. Reakce uvolňuje tunu energie, a proto ji vědci na Zemi chtějí řízeně replikovat. (Už dříve to dokázali nekontrolovaným způsobem. Říká se tomu vodíková bomba.)
Jak se jaderná fúze liší od jaderného štěpení?
Jaderné elektrárny, které dnes máme, vyrábějí elektřinu štěpením, což je jakýsi opak fúze. Štěpení uvolňuje energii štěpením atomů od sebe spíše než jejich spojováním.
Jaké jsou výhody jaderné fúze?
Teoreticky, jakmile lidé přijdou na to, jak provést jadernou fúzi kontrolovaným způsobem, možnosti jsou nekonečné. Vodík je nejjednodušší a nejrozšířenější prvek ve vesmíru. Získáte ho například z mořské vody. A pokud to uděláte, jeden galon mořské vody může podle ministerstva energetiky vygenerovat tolik energie jako 300 galonů benzínu.
Dnešní jaderné reaktory mají díky štěpení velký nepořádek. Rozštěpením těžkých atomů za sebou štěpení zanechává radioaktivní odpad. Co dělat s tímto jaderným odpadem na další miliony let je environmentální noční můra, na kterou USA stále nepřišly.
Fusion tyto problémy nemá. S fúzí vytváříte nové atomy – obvykle helium, jako v případě věcí, které jsou v balónech. Neprodukuje emise skleníkových plynů. A co víc, je to potenciálně neomezený zdroj energie, který se nespoléhá na počasí, což je stále problém s obnovitelnými zdroji, jako je solární a větrná energie.
Proč se nám nepodařilo zapálit?
No, ukázalo se, že je opravdu těžké znovu vytvořit hvězdu v laboratoři. Ke spuštění fúze potřebujete obrovské množství tlaku a tepla. Prostředí v srdci Slunce přirozeně poskytuje extrémní tlak potřebný k tomu, aby fúze proběhla. Tady na Zemi vědci nemají takový tlak jen tak povalující se a potřebují dokonce dosáhnout teplot teplejší než Slunce získat stejnou reakci. Historicky to vyžadovalo více energie, než byli vědci ve skutečnosti schopni vyrobit pomocí fúze v laboratoři.
To také vyžaduje mimořádné množství peněz a vysoce specializovanou technologii. S ohledem na to všechno je úžasné, že se nám vůbec podařilo dosáhnout nějakého vědeckého pokroku. Skutečně to komercializovat? To má další horu problémů, o kterých budeme hovořit za chvíli.
O čem tento nový „průlom v jaderné fúzi“ všichni mluví?
V pondělí 5. prosince v 1:03 ráno vědci z Lawrence Livermore National Lab poprvé na Zemi dosáhli „zapálení fúze“.
Jednoduše řečeno: “Vystřelili hromadu laserů na pelety paliva a z toho zapálení fúze se uvolnilo více energie než energie laserů, které vstupovaly dovnitř,” řekl ředitel Úřadu pro vědu a technologii Bílého domu Arati Prabhakar na tiskové konferenci. konferenci oznamující úspěch 13. prosince.
Cílová komora LLNL’s National Ignition Facility, kde 192 laserových paprsků dodalo více než 2 miliony joulů ultrafialové energie do malé palivové pelety, aby 5. prosince 2022 vytvořilo fúzní zapálení. Obrázek: Lawrence Livermore National Laboratory
Konkrétně experiment poskytl 3.15 megajoulů energie ve srovnání s 2.05 megajouly, které lasery použily ke spuštění fúzní reakce. To je asi 1.5 přírůstek energie. Je to skromné, ale dosažení čistého energetického zisku bylo přesto důležité prvenství pro výzkum fúze.
Jak to udělali?
Výzkumníci použili největší laserový systém na světě s nejvyšší spotřebou energie, nazývaný National Ignition Facility (NIF). NIF je velký jako tři fotbalová hřiště a dokáže vypálit 192 výkonných laserových paprsků na jeden cíl. K dosažení fúzního zapálení energie z těchto 192 laserových paprsků vymačká palivo v diamantové kapsli o velikosti zhruba zrnka pepře a 100krát hladší než zrcadlo. Kapsle obsahuje izotopy vodíku, z nichž některé se „spojily“ a vytvářely energii. Celkově byla asi 4 procenta tohoto paliva přeměněna na energii.
Lasery jsou v pořádku. Řekni mi také více o diamantech.
“Palivová kapsle je skořepina velikosti BB vyrobená z diamantu, která musí být co nejdokonalejší,” řekl Michael Stadermann, manažer programu Target Fabrication Program v Lawrence Livermore National Laboratory, během tiskové konference 13. prosince. “Jak si dokážete představit, dokonalost je opravdu těžká, a tak se k tomu musíme ještě dostat – stále máme na našich skořápkách drobné vady, menší než bakterie.”
Symetrie hraje obrovskou roli při dosahování zážehu, pokud jde o cíl i jeho implozi. Lasery musí být správně nasměrovány, a pokud jde o cíl, musíte zachovat téměř dokonalou symetrii a zároveň ostřelovat cíl intenzivním tlakem a teplem. Je to jako stlačit basketbalový míč na velikost hrášku, říkají odborníci, a to vše při zachování dokonalého kulového tvaru. Pokud se od tohoto tvaru odchýlíte, ztrácíte příliš mnoho kinetické energie a nevznítí se.
Znamená to, že nyní budeme mít jadernou fúzi?
Ani zdaleka. Zatímco laboratoř dosáhla „zapálení“, svůj úspěch založila na omezené definici „čistého energetického zisku“ zaměřeného pouze na výstup laseru. Zatímco lasery vystřelily na svůj cíl 2.05 megajoulů energie, sežraly z mřížky neuvěřitelných 300 megajoulů. Když to vezmeme v úvahu, v tomto experimentu se stále ztratilo mnoho energie.
Abyste nakonec měli fúzní elektrárnu, potřebujete způsob, mnohem větší výhru než 1.5 čistého energetického zisku. Místo toho budete potřebovat zisk 50 až 100.
Kam tedy půjdeme?
Čeká nás spousta práce. Výzkumníci se neustále snaží vytvořit ještě přesnější cíle a zaměřovat se na tuto dokonale symetrickou kouli. To je neuvěřitelně pracné. Tolik, že podle teoretického fyzika Roberta Rosnera z Chicagské univerzity může dnes jeden cíl na pelety stát asi 100,000 XNUMX dolarů. Rosner dříve působil v externím poradním výboru NIF. Tyto náklady na pelety musí klesnout na několik haléřů, pokud má být jaderná fúze komerční, říká Rosner, protože fúzní reaktor může potřebovat milion pelet denně.
A pokud chcete znovu dosáhnout zapálení pomocí laserů, budete potřebovat nastavení, které je efektivnější a které může fungovat mnohem rychleji. NIF, jakkoli je výkonný, je založen na laserové technologii z 1980. let 1997. století. Dnes existují pokročilejší lasery, ale National Ignition Facility je monstrum – jeho stavba začala v roce 2009 a v provozu byla až v roce 10. Dnes může NIF vystřelit svůj laser jednou za čtyři až osm hodin. Budoucí fúzní elektrárna by podle fyzika plazmy z Lawrence Livermore National Laboratory Tammy Ma musela vystřelit XNUMXkrát za sekundu.
“Toto je jedna zapalovací kapsle, jednou.” Chcete-li realizovat komerční energii z jaderné syntézy, musíte udělat mnoho věcí; musíte být schopni vyrobit mnoho, mnoho fúzních zážehů za minutu,“ řekl na tiskové konferenci Kim Budil, ředitel Lawrence Livermore National Laboratory. “Existují velmi významné překážky, nejen ve vědě, ale i v technologii.”
Existují jiné způsoby, jak spojit atomy dohromady?
Ano, lasery rozhodně nejsou jedinou strategií používanou ke spuštění zapalování. Další hlavní strategií je použití magnetických polí k omezení plazmového paliva pomocí zařízení zvaného tokamak. Tokamak může být mnohem levnější na stavbu než NIF. Dokonce i soukromé společnosti postavily tokamaky, takže v této oblasti došlo k širšímu výzkumu.
Tokamak ještě nedosáhl zapálení. Ale magnety, které používá, mají potenciál udržet fúzní reakci po delší dobu. (Na NIF dochází k fúzním reakcím během zlomku nanosekundy.) Průlomy v obou odvětvích výzkumu mohou nakonec pomoci přiblížit fúzní energii.
Může umělá inteligence pomoci prolomit kód fúzní energie?
Čeho tedy dosažení „zapálení“ vlastně dosáhne?
„Dostali jsme se na vrchol kopce,“ říká Gianluca Sarri, profesor fyziky na Queen’s University Belfast. Verge. Říká, že dosažení zapálení bylo v podstatě „nejtěžším krokem“ ve výzkumu energie z jaderné syntézy a odtud je to v podstatě „z kopce“, i když je před námi ještě dlouhá cesta.
To znamená, že dosažení zapálení je spíše vědeckým průlomem než průlomem s praktickou aplikací pro náš energetický systém – alespoň ne po mnoho dalších let.
Pokud však jde o jadernou obranu a nešíření jaderných zbraní, dosažení zážehu může mít bezprostřednější dopad.
Počkej, co to je s jadernými zbraněmi?
NIF byl původně vyvinut k provádění experimentů, které by pomohly USA udržovat zásoby jaderných zbraní, aniž by musely některou z nich vyhodit do povětří. Smlouva o úplném zákazu jaderných zkoušek z roku 1996 zakázala všechny jaderné výbuchy na Zemi, čímž ukončila podzemní zkušební výbuchy. NIF prorazil v následujícím roce. Jaderné zapálení, kterého se mu nakonec podařilo dosáhnout ve svém experimentu 5. prosince, v podstatě napodobuje nekontrolovanou fúzi, ke které dochází při výbuchu jaderné bomby. Doufáme, že dosažení zapálení kontrolovaným způsobem v laboratoři umožní výzkumníkům ověřit počítačové modely, které vyvinuli, aby nahradily živé testovací exploze.
Střih do toho. Kdy budeme mít jaderné fúzní elektrárny?
Nejoptimističtější odborníci Verge mluvil s nadějí, že bychom mohli mít první fúzní elektrárnu do deseti let. Ale většina odborníků, i když jsou stále nadšeni budoucností fúzní energie, si myslí, že jsme pravděpodobně ještě několik desetiletí daleko.
Vyřeší to klimatické změny?
Bez ohledu na to, jak dlouho to trvá, nemůžeme si dovolit čekat deset nebo více let, než fúzní energie vyčistí znečištění z našeho energetického systému. Aby se globální oteplování nedostalo do bodu, kdy by se lidstvo snažilo přizpůsobit, výzkum ukazuje, že svět musí snížit emise skleníkových plynů na čistou nulu do roku 2050. Do roku 2030 je třeba emise oxidu uhličitého z fosilních paliv snížit zhruba v roce polovina. To je mnohem rychlejší pokrok v reálném světě, než jaký byl kdy schopen dosáhnout výzkum fúze.
Jaderná fúze – reakce, která pohání Slunce – má potenciál uvolnit čistou a dostupnou energii pro planetu Zemi. V posledních měsících došlo k záplavě průlomů, když se vědci snažili replikovat reakci a využít tento prakticky neomezený zdroj energie.
Fúze je jaderná reakce, při které se dvě nebo více lehkých jader (ve hvězdách například dvě jádra vodíku) spojí a vytvoří jediné těžké jádro (například izotop helia). Proces vytváří rozdíl v hmotnosti, který se přeměňuje na energii. Na slunci tato energie vyzařuje pryč.
Na Zemi, pokud je tato reakce reprodukována, má potenciál produkovat čistou a bezpečnou energii v množství, které by mohlo vyřešit klimatickou krizi. Není tedy žádným překvapením, že vlády po celém světě investují do výzkumu replikace procesu fúze.
Jaderná fúze uvolňuje téměř čtyři milionykrát více energie než při použití uhlí, ropy nebo plynu a čtyřikrát více než technologie jaderného štěpení (při níž je velké atomové jádro rozděleno na menší jádra). To znamená, že jaderná fúze má potenciál poskytnout energii v množství, které by mohlo pohánět domácnosti, města a celé země.
Paliva, která lze použít pro fúzi, jsou také široce dostupná a lze je získat z látek, jako je voda a lithium. Několik gramů paliv, jako je deuterium a tritium, by mohlo vyprodukovat terajoul energie – přibližně to, co jeden člověk ve vyspělé zemi spotřebuje za 60 let.
Jaderná fúze navíc neprodukuje oxid uhličitý ani jaderný odpad s dlouhou životností, což z ní činí vysoce udržitelnou možnost. Ukázalo se však, že vytvoření správných podmínek ve fúzním reaktoru je náročný a nákladný proces.
Mezinárodní spolupráce
Od objevení konceptu jaderné fúze ve 1930. letech 20. století probíhají experimenty a dnes je na světě kolem XNUMX fúzních reaktorů, které se všechny snaží dosáhnout extrémně vysokých teplot potřebných pro dostatečně dlouhou dobu k uskutečnění fúze.
V roce 1958 na konferenci Atoms for Peace v Ženevě byl výzkum fúze prohlášen za mezinárodní společný podnik, což vedlo k vytvoření největšího prototypu reaktoru na světě. Tento „tokomak“ – název pro zařízení, která vytvářejí silné magnetické pole k omezení reaktivních nabitých částic – byl postaven na jihu Francie za finanční podpory 35 zemí, včetně USA, EU, Číny, Ruska, Indie, Japonska a SPOJENÉ KRÁLOVSTVÍ.
Projekt Mezinárodního termonukleárního experimentálního reaktoru (ITER) však zatím nevyrábí elektřinu pro spotřebitele a kritici, včetně Evropského účetního dvora, nedávno varovali, že projekt může být předmětem dalšího zvýšení nákladů a zpoždění.
Nové světové rekordy
V posledních měsících však nové průlomy činí technologii přístupnější než kdykoli předtím.
V Číně v lednu 2022 překonal reaktor EAST rekord pro nejdelší trvalou jadernou fúzi s teplotami 126 milionů stupňů Fahrenheita – zhruba pětkrát vyššími než slunce – udržovanými po dobu 17 minut.
Čínský reaktor EAST se používá k testování technologie pro reaktor ITER na jihu Francie, přičemž některé odhady nyní předpovídají, že by mohl začít fungovat již v roce 2025.
O měsíc později ve Spojeném království vědci z Joint European Torus Laboratory (JET) oznámili, že vytvořili rekordních 59 megajoulů trvalé energie z jaderné syntézy – dvojnásobek předchozího rekordního energetického výstupu a další podpora pro jejich partnery v projektu ITER. (pro které působí jako prototyp druhu).
Technologie jaderné fúze se také přibližuje komerčnímu využití. Podnikatelé ze společnosti Tokamak Energy se sídlem v malém železničním městě v jižní Anglii přilákali rizikový kapitál – a 10 milionů liber od britské vlády – pro jejich prostorově úsporné a nákladově efektivní řešení. Systém využívá tokamaky a vysokoteplotní supravodivé magnety.
Společnost uvedla, že je na dobré cestě vyrábět komerční elektřinu z jaderné fúze do roku 2030.
Spojené království také nedávno zahájilo projekt STEP (kulový tokamak pro výrobu elektřiny), jehož cílem je vyvinout reaktor, který se ve 2040. letech XNUMX. století připojí k národní energetické síti.
A v USA kalifornská TAE Technologies, největší soukromá společnost zabývající se fúzí na světě, oznámila, že do roku 2030 bude mít komerční elektrárnu na jadernou fúzi poté, co získala finanční prostředky ve výši 880 milionů dolarů.
V srpnu 2021 oznámila Lawrence Livermore National Laboratory velký průlom v jaderné fúzi pomocí výkonných laserů k výrobě 1.3 megajoulů energie – asi tři procenta energie obsažené v jednom kilogramu ropy.
Prvotní analýza ukazuje, že nové výsledky představují osminásobné zlepšení oproti výsledkům z jara 2021 a 25násobné zlepšení oproti roku 2018.
Technologie jaderné fúze je stále ještě na cestě k tomu, aby mohla být rozšířena pro komerční využití, ale inovace postupují tempem, protože se potýkáme s jednou z nejtěžších výzev ve vědě. A vlády hrají dlouhou hru a investují ve střednědobém až dlouhodobém horizontu do mimořádných potenciálních odměn.
Vyberte předvolby pro oznámení push
