Energetické požadavky naší civilizace jsou rok od roku vyšší, zatímco zásoby ropy a jiných fosilních paliv se pomalu ale jistě snižují. Problém, z čeho budeme vyrábět elektrickou energii, až dojdou úplně, před námi tedy vyvstává se stále větší naléhavostí.
Zvlášť když si uvědomíme, že světové zdroje uranu rovněž nejsou nevyčerpatelné. Proto odborníci na výrobu energie své naděje upírají především k řízené termojaderné fúzi.
Jaderná fúze – nevyčerpatelný zdroj energie
O co jde? Obecně řečeno je jaderná fúze proces, při kterém se lehčí atomová jádra slučují na jádra těžší za vzniku obrovského množství energie. V podstatě stejným způsobem se uvolňuje energie v nitru Slunce i ostatních hvězd, kde dochází ke spalování jader vodíku na helium.
Cílem budoucích energetiků je tedy tyto procesy co nejvěrněji napodobit, jen s tím rozdílem, že reakce musí probíhat řízeně. Pokud nám má fúze přinášet nějaký užitek, musíme ji mít plně pod kontrolou.
Ve srovnání se štěpnou reakcí, která probíhá v dnešních jaderných reaktorech, má termonukleární fúze jen samé přednosti. Je bezpečná (vnitřní, principiální bezpečnost), čistá (odpad neobsahuje téměř žádné radioaktivní látky, jen netečné helium) a přináší mnohem větší energetický zisk.
Navíc nabízí téměř nevyčerpatelný zdroj energie, neboť v pozemských podmínkách se jeví jako nejvhodnější palivo, tzv. deuterium, těžký vodík, který je možné vyrobit z obyčejné vody.
A protože té máme zatím všude dostatek, nemusíme si s jeho zásobami dělat žádné starosti. Zkrátka, jak říká na serveru BBC Mike Dunne, vedoucí projektu HiPER: "Fúzní energie je svatým grálem všech energetických zdrojů."
Lawsonovo kritérium a dvě možné cesty využití
Aby termojaderná syntéza vyprodukovala více energie, než sama spotřebuje, je třeba, aby bylo splněno tzv. Lawsonovo kritérium. To stanovuje minimální požadavky na hustotu a teplotu plazmatu, ve kterém fúzní reakce probíhá, nutnou pro udržení celé fúzní reakce.
Existují dva základní způsoby, jak požadavky dané Lawsonovým kritériem splnit: buď pomocí tzv. magnetického, nebo inerciálního udržení. Jinými slovy to tedy znamená buď se snažit udržet plazma o relativně nízké hustotě po co nejdelší dobu (aspoň několik vteřin), nebo dosáhnout na krátkou dobu velké hustoty (a teploty) plazmatu.
Termojaderná zařízení s magnetickým udržením využívají ke své činnosti složitých magnetických polí, pomocí nichž je žhavé plazma drženo pohromadě. Na stejném principu jsou založeny například známé tokamaky a v budoucnosti by jej měl využívat i první mezinárodní experimentální termonukleární reaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), jehož výstavba byla již zahájena ve francouzském Cadarache.
Inerciální udržení – miniaturní vodíková puma
Fúze s inerciálním (setrvačným) udržením naproti tomu připomíná miniaturní výbuch vodíkové bomby. Palivo v pevném skupenství (malé kuličky zvané terčíky) je při ní třeba intenzivně ohřát a stlačit, jedině tak dojde ke vzniku plazmatu a k zapálení termonukleární reakce.
Na její průběh ale máme velmi málo času, neboť žhavé plazma není drženo žádným vnějším silovým polem, proto musí k reakci dojít dříve, než se plazma stačí rozletět do prostoru. (Doba, kterou máme pro uskutečnění reakce k dispozici, tedy závisí na setrvačnosti hmoty - inercii - proto se celý proces nazývá inerciální.)
Jak vidno, inerciální zařízení (na rozdíl od magnetických) nepracují kontinuálně, palivo je jim dodáváno v malých dávkách a termonukleární miniexploze se neustále opakují.
HiPER i s naší účastí
Mezinárodního projektu HiPER se účastní 26 institucí z 10 evropských zemí, mezi kterými figuruje i Česká republika. Nutno podotknout, že naše role není zanedbatelná, naopak ČR patří spolu s Velkou Británií a Francií mezi nejaktivnější účastníky celého plánu.
Cílem projektu je vybudovat experimentální laboratoř, která by měla dokázat, že inerciální udržení jaderné fúze není pouhou fikcí, ale životaschopnou alternativou pro energetické využití termojaderné reakce.
K nastartování nukleární fúze by v tomto případě mělo dojít za pomoci výkonných laserů. Všechno by mělo probíhat následovně: nejprve výkonný laser stlačí palivový terčík obsahující deuterium natolik, že dosáhne třicetkrát větší hustoty než olovo.
A poté se jeho teplota druhým laserem zvýší na 100 milionů stupňů. Za těchto podmínek již může proběhnout fúzní reakce, takže se vodíková jádra začnou slučovat na jádra helia, což je provázeno značnou produkcí energie.
Laser jako zapalovací svíčka
Snad nejlépe vystihl princip činnosti celého zařízení Mike Dunne, který na serveru BBC říká: "Představte si motor auta. Nejprve do něj vstříknete palivo a to je potom stlačeno pístem motoru. V našem případě ke stlačení fúzního paliva využíváme laseru."
A pokračuje: "Dále máte, podobně jako v motoru automobilu, zapalovací svíčku, která palivo zažehne. My také používáme svíčku, ale v našem případě jde o další laser, velmi výkonný s velice krátkými pulzy. A to vše opakujete pořád dokola – stejně jako v motoru vašeho auta."
Budoucnost ukáže
Projekt HiPER se nyní teprve rozbíhá, pro zdárné vyřešení stanovených cílů je třeba vyvinout a otestovat celou řadu nových technologií, včetně dvou vysoce výkonných laserů, které se právě dokončují.
Jeden z nich v americkém National Ignition Facility, druhý ve francouzském středisku Laser Megajoule. Očekává se, že obě zařízení budou schopna dodat více energie, než je jí potřeba pro rozběhnutí jaderné syntézy.
Hlavním úkolem projektu HiPER je podat principiální důkaz schůdnosti laserové fúze, samozřejmě včetně technické proveditelnosti celého záměru. Pokud vše půjde podle plánu, měli bychom mít jasno v průběhu několika příštích let.
Zdroj:
