Jak zažehnout hvězdu

Michal Černý  |  Věda
Celkem 192 laserů produkujících paprsky v infračerveném spektru, které na několik pikosekund vyvolají záblesk o intenzitě 500 TW, terčem všech laserových paprsků je kulička o velikosti zrnka hořčice naplněná deuteriem a tritiem

Ke scénáři popisovanému na následujících řádcích má dojít už za několik málo měsíců, přesněji na začátku roku 2010. Termojaderná fúze vyvolaná soustředěnou energií supervýkonných laserů je považována za nadějnou cestu, která může mimo jiné znamenat přelom v energetice.

Zařízení, které Američané nazvali NIF (National Ignition Facility), je součástí Lawrence Livermore National Laboratory, nachází se v USA – přesněji v Kalifornii – a zabírá plochu přibližně tří fotbalových hřišť. Už brzy, v prvních měsících roku 2010, zde má dojít k ojedinělému experimentu, jehož výsledky toužebně očekávají nejenom fyzici, ale i veřejnost na celém světě. Má se zde potvrdit to, že termojadernou fúzi je možné zažehnout pomocí několika stovek supervýkonných laserů, jejichž energie bude ve zlomku vteřiny soustředěná do jediného bodu.

Uvnitř sférické komory o průměru deseti metrů tak má za podmínek obrovských tlaků a teplot vlastně dojít k vytvoření jakési „miniaturní hvězdy“. Jak přesně to má probíhat? Celkem 192 laserových svazků projde v zařízení NIF cestu dlouhou kolem 300 metrů, v jejímž průběhu budou zesíleny na celkovou energii asi čtyř milionů joulů a zrcadly nasměrovány do středu kulové komory.

Každý svazek projde optickým zařízením, které ho zaměří na cíl v ohnisku. Cílem je malá tableta o velikosti hořčičného zrnka, naplněná směsí deuteria a tritia. Mohutný impulz světelné energie tuto tabletu na okamžik trvající několik miliardtin vteřin stlačí a zahřeje na teplotu stovek milionů stupňů a hustotu dvacetkrát vyšší, než je hustota olova. Zážeh! Termojaderná reakce je spuštěna.

Kulová reakční komora, do níž budou soustředěny laserové paprsky, má průměr deset metrů.

Tokamaky versus laserová fúze

K pochopení souvislostí je třeba popsat, co vlastně přesně je termojaderná fúze. Jedná se o sloučení jader izotopů vodíku – deuteria a tritia (deuterium má v jádře jeden neutron, tritium neutrony dva). Při termojaderné fúzi, která probíhá za obrovských teplot a tlaků, dochází ke sloučení jader těchto prvků, za vzniku helia, neutronu a energie. Právě proto, že se zde uvolňuje energie, je fúze považována za nadějnou cestu pro energetiku – již dlouhou dobu se mluví o nových typech termojaderných reaktorů, které by mohly nahradit klasické štěpné reaktory a zajistit dodávky energie na stovky či tisíce let.

„Chceme-li vyvolat termojadernou reakci, je potřeba látku zahřát na extrémně vysokou teplotu, řádově stovek milionů stupňů,“ vysvětluje fyzik Jiří Ullschmied z Ústavu fyziky plazmatu. „To se dá dnes udělat dvěma způsoby – zaprvé v takzvaných tokamacích. V těchto magnetických nádobách – nejlepší jsou prstencové, toroidální – je možné provazec plazmatu pomocí magnetického pole držet daleko od stěn. Plazma je pak dále zahřívána a udržována ve stavu, kdy může proběhnout termojaderná reakce.

Druhou cestou se pak vydali právě ve Spojených státech při vývoji NIF. Zcela rezignovali na magnetické udržení plazmatu, a snaží se malé kapsličce termojaderného paliva dodat energii pomocí laserů tak rychle, aby se stačila zahřát a aby v ní proběhla jaderná fúze dříve, než exploduje a rozletí se. A právě experimenty v zařízení NIF mají ukázat, že tato cesta laserové fúze je schůdná.“

NIF pro armádu

„Dá se však říct, že NIF je z 90 procent projekt vojenský,“ říká Jiří Ullschmied. Uvnitř kulové komory probíhají mikrovýbuchy vyvolané lasery, které mají všechny charakteristiky malé jaderné exploze – a právě fyzika takovýchto výbuchů se studuje na těchto vojenských strategických laserech.

NIF má poskytovat především data pro superpočítačové simulace těchto explozí. „Kdyby byl NIF čistě vědeckým projektem, zcela jistě by byl zrušen,“ uvádí k tomu časopis The Economist. „Stál kolem čtyř miliard dolarů, což je čtyřikrát víc, než bylo na začátku odhadováno, a oproti původním plánům se zpozdil o pět let.“

Optika a výbuchy

NIF samozřejmě ještě neslouží k výrobě energie – jedná se o experimentální zařízení, které má pouze demonstrovat, že fúze vyvolaná lasery je vůbec uskutečnitelná. K opravdovým termojaderným reaktorům vede ještě dlouhá cesta a zatím nikdo přesně neví, kdy budeme energii tímto způsobem získávat. Už v šedesátých letech vědci tvrdili, že termojaderný reaktor by zde mohl být do deseti let.

Zařízení pro finální optickou kontrolu vnitřku kulové reakční komory dokáže pořídit snímky zaměřovacích objektivů všech 192 laserů.

U tokamaků může být problém v tom, že vedle sebe existují extrémně vysoké teploty horkého plazmatu v těsné blízkosti supravodivých magnetů ochlazených na teplotu mimořádně nízkou. Technické potíže mohou nastat i u laserové fúze – každý laser musí být do ohniska soustředěn drahou optikou. Tato optika musí být spolehlivě chráněna před účinky termonukleárních mikrovýbuchů. Kdyby se však podařilo technické problémy zvládnout, získáváme podle Jiřího Ullschmieda zdroj energie na tisíc let.

Bude fúze radioaktivní?

Milan Smrž, předseda občanského sdružení Eurosolar, považuje fúzní elektrárny za v podstatě nerealizovatelnou fikci. Snaží se také vyvracet některé mýty, které se o termojaderné fúzi šíří. „Lže se o tom, že by fúzní elektrárna poskytovala čistou energii,“ tvrdí. Jedná se skutečně o mýtus – zplodiny z termonukleární fúze budou alespoň v první generaci reaktorů stejně radioaktivní. „Avšak mnohem méně než u klasických štěpných elektráren,“ namítá Jiří Ullschmied.

„Kritici mají v tomto směru pravdu, energie se zde bude uvolňovat ve formě neutronů, a ty mohou vyvolávat radioaktivitu stavebních materiálů reaktoru. Výběrem vhodných materiálů to ale bude možné minimalizovat. Navíc, ve druhé generaci reaktorů má být problém s radioaktivitou odstraněn.“

Plátky z velkého krystalu dihydrogenfosforečnanu draselného poslouží k frekvenční konverzi světla z infračerveného do ultrafialového pásma.

Předstupeň k laserovému reaktoru

Laserová fúze je nadějnou cestou, které je poskytována široká podpora, a to jak z civilních, tak z armádních zdrojů. Dalším krokem má být vytvoření experimentálního předstupně ke skutečnému reaktoru pracujícímu na principu laserové fúze – tento evropský civilní projekt se jmenuje HiPER (High Power laser Energy Research facility) a má se začít budovat v roce 2010, pravděpodobně ve Velké Británii. Zda ale nakonec budou reaktory pracovat na principu tokamaků a magnetického udržení plazmatu, nebo na základě laserové fúze, to zatím nikdo nedokáže odhadnout.

„Dozvědí se to až moje děti, což je trochu nespravedlivé vzhledem k tomu, že já na to čekám padesát let, od roku 1965, kdy jsem začal pracovat v Ústavu fyziky plazmatu,“ říká Jiří Ullschmied a uzavírá: „Zda budou reaktory pracovat na principu laserů, nebo tokamaků, rozhodne hlavně to, co z toho bude mít levnější a spolehlivější provoz. NIF je experimentální zařízení, jež nám teprve ukáže cestu, kterou se máme ubírat.“

Česká republika: Laserová velmoc!

Ve výzkumu laserů se Česká republika může považovat za světovou velmoc. Je tomu tak proto, že v Praze sídlí společný obří laser Fyzikálního ústavu AV ČR a Ústavu fyziky plazmatu – laserový systém PALS (Prague Asterix Laser System). Původně se jmenoval Asterix IV a byl postaven v německém Garchingu, Němci ho vybudovali jako velké evropské zařízení. V určité fázi výzkumu jim ale laser začal blokovat kapacity pro jiné vědecké programy.

Po několika letech provozu se proto začali rozhlížet po Evropě, která země by se laseru ujala, a sami si chtěli uvolnit kapacity pro úplně jiný projekt. Vědci v Praze přitom měli zkušenosti s jiným, méně výkonným laserem (PERUN), který byl stejného typu. „Ze začátku jsme to všichni považovali za science fiction,“ vypráví Jiří Ullschmied. „Přišel s tím doktor Rohlena, vedoucí oddělení plynových laserů, a řekl: Pánové, povím vám vtip. Němci by nám dali laser Asterix IV za jednu německou marku. Všichni jsme se tomu zasmáli a nikdo to nebral vážně. A vida, nakonec se tak stalo.“

Laser byl převezen z Německa do Prahy, přičemž Čechům se podařilo zařízení rozebrat, převézt, znovu sestavit a uvést do plného provozu během pouhých dvou let (v Praze začal fungovat v roce 2000). V pražském výzkumném laserovém centru PALS jsou nyní velmi rádi, že tento laser mají, do střediska jezdí bádat vědci z celé Evropy. „Laser PALS byl vlastně naší vstupenkou mezi velké laboratoře. Kdybychom ho neměli, mohli bychom si o velkých projektech leda tak číst v novinách,“ říká Jiří Ullschmied. PALS je plynový (jodový) laser a může generovat celkovou energii až 1 kilojoul.

Tajemství supernov

Laserová zařízení, jakým je NIF, neslouží jen k výzkumu termojaderné fúze, ale lze je použít také pro mnoho dalších aplikací. Jedním ze tří hlavních úkolů NIF je proto vědecký výzkum. Má pomoci odpovědět na otázky: Jak vznikl náš vesmír, jak se utvářely planety či hvězdy? K čemu docházelo uvnitř supernov a černých děr?

NIF má znovu vytvořit podmínky, které existují jenom v nitru hvězd, supernov a obřích planet, a poskytnout pohled na to, co se dělo ve vesmíru v prvních nanosekundách po velkém třesku. Další programy NIF pak slibují pokroky například ve využití laserů v medicíně, zacházení s radioaktivním a nebezpečným odpadem nebo v částicové fyzice.

Nejvýznamnější projekty termojaderné fúze

LIFE (Laser Induction Fusion Engine)
Projekt Lawrence Livermore National Laboratory, která stojí i za vývojem NIF. Jde o hybridní, smíšenou technologii – laserový reaktor s vysokým neutronovým tokem, který má neutrony využívat pro štěpení těžkých materiálů (uran, plutonium) nebo odpad z jaderných elektráren. Hybridní reaktor by měl být realizován do roku 2025. Plánuje se, že kolem roku 2100 by celá energetika USA měla být postavena na těchto hybridních laserových reaktorech.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)
Mezinárodní termojaderný pokusný reaktor, který je založen na principu tokamaku a magnetického udržení plazmatu. Má být uveden do provozu v roce 2016, celkový rozpočet projektu je 10 miliard eur, jeho předpokládaný výkon je 500 MW. Jeho provoz by měl vést k porozumění tomuto typu termojaderné energetiky a kolem roku 2040 dospět ke stavbě prvních elektráren.

HiPER (High Power laser Energy Research facility)
Evropský civilní projekt, který má být konkurencí americkým vojenským projektům. Obří soustava laserů o velikosti fotbalového stadionu, které mají uskutečnit termojadernou fúzi, a stát se tak experimentálním předstupněm ke skutečnému laserovému reaktoru. V tomto nadnárodním projektu se angažuje 25 vědeckých ústavů z 11 zemí, mimo jiné z Velké Británie, České republiky a Francie. V současnosti je největším favoritem na umístění zařízení HiPER Velká Británie.

Laser Megajoule
Francouzská obdoba amerického NIF Experimentální zařízení využívající laserů, které má svému cíli dodat 1,8 megajoulu energie. Jedná se o největší zařízení využívající laserové fúze, které je postaveno mimo Spojené státy. Stejně jako NIF je Laser Megajoule vojenským projektem, který má sloužit při simulacích termonukleární fúze.

Kolik let si ještě počkáme na fúzní elektrárny? Hlasovat v anketě můžete zde.

Nejčtenější