Fúzní reaktory slibují dodávat čistou energii – nové výpočty naznačují, že by mohly zároveň produkovat částice související s temnou hmotou.

Po mnoho let fúzní reaktory symbolizují velký slib: energie bez CO₂ a bez rizik tradiční jaderné energie. Do projektů, jako je ITER, investují miliardy, protože se očekává, že v dlouhodobém horizontu budou nabízet téměř neomezenou a čistou energii. Nicméně nová teoretická studie naznačuje, že tyto zařízení by mohla přinést ještě něco jiného. Mohly by přispět k pochopení jednoho z největších záhad moderní fyziky: povahy temné hmoty.

Tento přístup je překvapivě jednoduchý. Nejedná se o vzdálené galaxie nebo exotické urychlovače částic, nýbrž o procesy, které se v budoucích fúzních elektrárnách budou odehrávat. Nová studie z University of Cincinnati, kterou vede fyzik Jure Zupan, dospívá k závěru, že extrémní podmínky v těchto reaktorech by mohly mít efekty přesahující pouhou výrobu energie. Zaměřují se na axiony, částice, které jsou již léta zvažovány jako kandidáti na temnou hmotu.

Proč se fúzní reaktory stávají zajímavými pro částicovou fyziku

Při běžné fúzi deuteriotritia se uvolňuje obrovské množství energie. Přibližně 80 % této energie odvádějí neutrony. Tyto elektricky neutrální částice opouštějí plasma téměř neomezeně a zasáhnou vnitřní stěny reaktoru.

Toto vyvolává složitý proces. Moderní reaktory jsou potaženy takzvanými brut-tkvy, které obsahují lithium, jež zachytává neutrony a produkuje tritium – palivo pro další fúzi. Zároveň se při těchto srážkách odehrává celá řada jaderných reakcí. Právě na tomto místě se výzkumníci zaměřují.

Jejich výpočty ukazují, že pokud neutrony narazí na materiály stěn, mohou vzniknout nestabilní atomová jádra. Při přechodu do stabilního stavu uvolňují energii. Za určitých podmínek by tato energie nemusela být uvolněna pouze ve formě tepla nebo záření, ale také formou extrémně slabě interagujících částic – například axionů nebo částic podobného typu.

Historie myšlenky a nové výpočty

Základní myšlenka není nová. Objevila se dokonce v televizním seriálu Teorie velkého třesku. V několika epizodách se postavy Sheldon Cooper a Leonard Hofstadter snaží vypočítat, zda fúzní reaktory mohou produkovat axiony. V seriálu na tomto bodě selhávají. Nově zveřejněná studie se na tuto otázku znovu zaměřuje a poprvé ukazuje, za jakých podmínek by tato teorie mohla fungovat.

Jeden z vědců, který se na výzkumu podílel, říká: „Neutrony interagují s materiály stěn reaktoru. Vznikající jaderné reakce mohou vytvářet nové částice, které jsou jinak obtížně přístupné.“

Axiony a temná hmota: Proč jsou tyto částice důležité

Temná hmota je všudypřítomná. Udržuje pohromadě galaxie, ovlivňuje pohyb hvězd a formuje velkorozměrovou strukturu vesmíru. Není možné ji přímo pozorovat, protože nevydává ani neodráží světlo. Její vliv se projevuje pouze prostřednictvím gravitace.

Axiony jsou považovány za zvlášť zajímavé kandidáty, protože by mohly současně odpovědět na několik nevyřešených otázek fyziky. Měly by být velmi lehké, elektricky neutrální a pouze slabě interagovat s normální hmotou. Právě to je činí tak obtížně detekovatelnými.

Doposud vědci hledali axiony především na třech místech:

• ve slunci, kde by mohly vznikat během jaderných reakcí,
• v supernovách, které nabízejí extrémní podmínky,
• ve specializovaných laboratořích s magnetickými poli nebo částicovými paprsky.

Nová studie nyní rozšiřuje tento vyhledávací prostor o čtvrté místo: budoucí fúzní reaktory.

Nezáleží na samotné fúzi, ale na okolních procesech

Podle tohoto modelu nevznikají hledané částice v horkém fúzním plasma. Předchozí myšlenky se soustředily právě tam, ale byly neúspěšné. Místo toho hrají klíčovou roli vedlejší procesy.

Když se neutrony zpomalují nebo jsou zachyceny atomovými jádry, může dojít k přechodům záření. Kromě toho mohou být atomová jádra uváděna do excitovaných stavů a při přechodech uvolňovat energii. V těchto momentech by mohly vznikat axiony.

Jak by mohlo vypadat ověření

Je plánováno přidání měřicího detektoru v blízkosti reaktoru, asi deset metrů daleko. Jako příklad slouží stávající zařízení v Kanadě, které používá těžkou vodu. Pokud axion nebo podobná částice zasáhne deuteriové jádro, může dojít k jeho roztržení. Při této události vznikají částice, které jsou detekovatelné citlivými senzory.

Výpočty naznačují, že detektor by mohl během přibližně jednoho roku nepřetržitého provozu shromáždit dostatek dat, aby poskytl nové důkazy o těchto částicích – nebo jasně vyloučil určité předpoklady.

Realistický význam těchto výsledků

Vědci důrazně zdůrazňují, že se jedná o teoretickou studii proveditelnosti. Doposud nikdo axiony v fúzním reaktoru nezaznamenal. Mnoho faktorů zůstává nejistých, například:

• přesné složení materiálu stěn reaktoru,
• geometrie budoucích zařízení,
• velikost a citlivost možných detektorů.

Nicméně autoři vidí velký potenciál. Budoucí demonstrační reaktory by mohly být navrženy tak, aby vedle výroby energie umožnily i základní výzkum. „Fúzní reaktory by se mohly stát laboratořemi, kde se testuje nová fyzika, aniž by došlo k narušení provozu,“ uvedl Zupan.

Shrnutí

• Fúzní reaktory by mohly nabídnout víc než jen elektřinu: teoretické výpočty naznačují, že by v nich také mohly vznikat částice související s temnou hmotou.
• Klíčem jsou neutrony: přenášejí většinu energie, narážejí na stěny reaktoru a mohou generovat axiony – dlouho diskutované kandidáty na temnou hmotu.
• Hledání dostává nové místo: vedle slunce a laboratoří se nyní pozornost obrací i na fúzní reaktory, zatím však pouze teoreticky.