Zásoby fosilních paliv na naší planetě se blíží vyčerpání, a tak odborníci hledají nejrůznější cesty, jak zachránit civilizaci před energetickým kolapsem.
Z nadějných metod nejdál pokročil výzkum využití laseru pro zažehnutí reakcí, které se jinak odehrávají pouze v nitru hvězd.
K nejnadějnějším variantám získání energie patří využití termojaderné fúze, především v magnetických zařízeních zvaných tokamaky. Existují ale i jiný způsob, jak k tomuto cíli dospět. Jde vlastně o miniaturní vodíkové pumy, které by se odpalovaly rychle za sebou ve speciálním zařízení. Uvolněná energie by už neničila města a lidi, ale přeměňovala by se v elektřinu.
„Nepochybuji o tom, že právě tato metoda povede ke zvládnutí termojaderné fúze pro výrobu elektřiny,“ říká Chand Joshi, profesor elektroinženýrství na University of California at Los Angeles (UCLA), který se tímto problémem zabývá.
Potřebujeme stovky milionů stupňů!
Termojaderných reakcí, při nichž se slučováním atomů uvolňuje velké množství energie, existuje celá řada, všechny ale vyžadují obrovské tlaky a teploty. Doslova jim vděčíme za svou existenci, neboť nejenže právě díky těmto reakcím svítí naše Slunce, ale vytvořily i všechny prvky našeho světa i našich těl. V raných stádiích vesmíru totiž existoval pouze vodík a teprve první generace hvězd z něj termojadernou syntézou „uplácala“ složitější prvky.
Hvězdy mají pro takové experimenty ty nejlepší podmínky, především obrovské teploty a tlaky v nitru. Na Zemi jsou ale obtížně realizovatelné, a tak musejí vědci vybírat pouze takové typy reakcí, které jsou relativně nejproveditelnější. V pozemských podmínkách je nejdostupnější slučování izotopů vodíku deuteria (těžký vodík) s tritiem, protože čím těžší prvek, tím obtížnější je přinutit jeho atomy ke slučování. I při této reakci (bývá označována jako termojaderná fúze D-T) se ale neobejdeme bez teplot stovek milionů stupňů. Většina fyziků přitom vsadila na zahřívání plazmatu v magnetických nádobách prstencového tvaru (tokamak).
Výhodnější je stavebnice
Američané jdou ale na problém jinak. V zařízení National Ignition Facility (NIF) se snaží uvolnit energii hvězd pomocí obří soustavy supervýkonných laserů.
Příznivci tohoto řešení upozorňují na celou řadu výhod. Zatímco tokamak je komplikované zařízení, které pracuje pouze jako celek, zařízení pro termojadernou fúzi může mít „stavebnicovou“ architekturu – zvlášť lze vyvíjet lasery, palivové tablety, vstřikovací zařízení, reakční komoru i další komponenty. Navíc se skládá z desítek stejných laserů, takže pokud se povede vyvinout jeden, ostatní už je záležitostí sériové výroby. To vše vede k naději, že vývoj by mohl být levnější a snadnější, než tomu bylo u magnetických nádob, které nevedly k cíli ani po bezmála půl století mimořádně drahého výzkumu.
Drtivá síla světla!
Americká cesta bývá označována jako laserový pulzní ohřev izotopů vodíku, nebo také inerciální fúze. Spočívá v tom, že směs deuteria a tritia se nejdříve upraví do podoby malých pevných tablet (pelet) a posléze umístí do ohniska, na něž ze všech stran míří lasery. Pak mohutný impuls světelné energie tabletu velikosti fazole na okamžik trvající několik miliardtin sekundy stlačí a zahřeje až na teplotu stovky milionů stupňů a hustotu, která je dvacetkrát vyšší než hustota olova. V tomto okamžiku dojde k zážehu termonukleární reakce. Při každém takové pulzu se uvolní energie odpovídající spálení asi 15 kilogramů kvalitního uhlí.
Pokud se to podaří, bylo by možné na tomto principu stavět elektrárny. kde teplo bude odváděno chladícím médiem k turbinám s generátory, které vyrobí elektřinu. Protože deuteria je v oceánech Země dost na miliony let a tritium může vznikat ozařováním lithia neutrony přímo v termojaderném reaktoru, vyřešilo by to patrně energetické problémy lidstva jednou provždy. Přitom laserové pulzní zařízení je levnější a méně těžkopádné, než termojaderné reaktory pracující na principu tokamaku
Největším zařízením pro výzkum termojaderné fúze prováděné za pomocí laseru je dnes National Ignition Facility (NIF) v kalifornské Lawrence Livermore National Laboratory, které provozuje University of California pro ministerstvo energetiky USA. Se stavbou objektu o rozloze fotbalového hřiště se započalo v roce 1997 a první termojaderní zážeh vědci plánovali na tento rok.
Pumy bez jaderných zkoušek
Málokterý průkopnický projekt ale běží podle plánů a ani NIF není v tomto ohledu výjimkou. Na zařízení sice již probíhají testy a první experimenty, kompletní dokončení však odborníci neočekávají dřív než v roce 2008. První zážeh termojaderné reakce by měl přijít o dva roky později.
Cílem NIF ale není jen zkoumání termonukleární fúze – mají se zde také provádět testy vedoucí k dokonalejším jaderným zbraním, především modelování nukleárních explozí. Vědci by tak získali možnost zlepšovat pumy, aniž by museli provádět problematické pokusné nukleární exploze. Vojenský výzkum tvoří převážnou část náplně zařízení. Mezi další pracovní náplň NIF patří i materiálový výzkum a výzkum laserových technologií.
Nejsilnější laser na světě!
Srdcem NIF je nejvýkonnější energetický laser na světě. Jeho světlo rozdělí hranoly z uměle vypěstovaných krystalů na 192 svazků. Dráha každého z nich je dlouhá 305 metrů. Ty pak další optika zaostří na cíl, umístěný v kulové reakční komoře o průměru 10 metrů.
NIF se buduje postupně tak, aby bylo možné nákladné zařízení využívat už před jeho definitivním dokončením. Roku 2001 tu začal projekt nazvaný NIF Early Light (NEAL, Rané světlo NIF) který slouží především pro testování. Na své si ale přijdou i výzkumníci. V květnu 2003 tu například ultrafialový laser v jednom světelném svazku vyrobil energii 10,4 kilojoulů, což je dosud platný světový rekord v této kategorii.
Současně vědci testují, zda je kvalita laserových svazků dostatečná pro zažehnutí termojaderné fúze a jestli jsou délka a časový průběh světelného pulsu vhodné pro stlačování a ohřev palivových tablet. Podařilo se docílit pulsu s trváním 25 nanosekund, což je zatím nejdelší doba dosažená u tohoto typu. Paprsky prvních čtyř dokončených laserů už také zamířily do středu kulové komory na speciální cílový terčík. Fyzikové přitom zkoumali reakci světla o vysoké energii s hmotou terčíku a produkci rentgenového záření. Všechny tyto poznatky jim pomohou při přípravě závěrečných pokusů, kdy již půjde o zažehnutí skutečné termojaderné reakce.
Cesta k laserové elektrárně
V NIF se budou prověřovat jak přímé, tak i nepřímé metody laserového ohřevu tablety se směsí izotopů vodíku. Při přímé metodě působí na cíl bezprostředně paprsky laseru. Nepřímá metoda spočívá v umístění izotopů vodíku do malého válcovitého pouzdra z materiálu o vysoké hustotě, například zlata nebo olova. Pouzdro přemění laserový puls na rentgenové záření, teprve pak následuje stlačení a zážeh termonukleární reakce.
USA laserovou cestu k termojaderné fúzi zřetelně preferuje, což je i jeden z důvodů vlažného postoje k mezinárodnímu projektu tokamaku ITER. Laserová metoda se ale zkoumá i v dalších zemích, například ve Francii, Velké Británii, Japonsku a jinde. Některé dílčí úkoly řeší také čeští vědci v Ústavu fyziky plazmatu na laserovém systému PALS. Laserový systém ASTERIX IV dostala Akademie věd České republiky na základě dohody s evropskou organizací EURATOM a německým Institutem Maxe Plancka pro kvantovou fyziku. Krátce nato začala stavba objektu v Praze. V provozu je od roku 2000.
Kdy zažehneme fúze světlem?
S výzkumem laserové fúze se začalo mnohem později než s experimenty na tokamacích, které přitom nevedly ke komerční výrobě energie ani po půlstoletí. Zatímco u tokamaků již existují poměrně konkrétní představy, jak by měla vypadat jejich podoba pro komerční výrobu elektřiny, u laserových systémů zatím jde jen o velmi přibližné návrhy. V souvislosti s dávkováním palivových tablet, odolností a chlazením reaktorové komory, ochranou proti záření, odebíráním produktů jaderných reakcí a odvodem vzniklé energie ke generátorům existuje celá řada nevyřešených problémů. Tím spíše si dnes nikdo neodvažuje předpovídat letopočet otevření první laserové elektrárny. Právě problémy tokamaků ale naznačují, že fúze zažehnutá světlem by mohla být pojistkou pro případ, že by dnes preferovaná cesta selhala.
Střelba ze všech stran
Vhodně uspořádaný laserový systém je schopen dosáhnout hustoty energie potřebné k zapálení termonukleární reakce ve směsi izotopů deuteria a tritia. Podmínkou je, aby tyto izotopy byly uspořádány do malého terčíku s vysokou hustotou, na který jsou laserové svazky zaostřené ze všech stran. Použití laseru odstraňuje některé problémy magnetických metod zažehnutí termojaderné fúze, především potíže se stabilitou a dobou udržení potřebných podmínek.
Kam míří termojaderná fúze v NIF?
Zařízení NIF se buduje v Lawrence Livermore National Laboratory v kalifornském Livermore od počátku 90. let minulého století. Celkový výkon všech laserových paprsků má být po dokončení 500 terawattů, což je tisíckrát víc, než produkce všech elektráren v USA. Při pokusech s termojadernou fúzí ji 192 laserů naráz během několika málo miliardtin sekundy vyzáří na palivovou tabletu velikosti golfového míčku, obsahující směs deuteria a tritia obalenou beriliem. Její hustota tak dosáhne jeden kilogram na krychlový centimetr, což je přibližně šestkrát víc, než v nitru Slunce. V současnosti pracují první čtyři lasery, definitivní dokončení se předpokládá roku 2008, první pokusy se zažehnutím termojaderné fúze roku 2010.
