Fúzna reakcia, ktorá by mala prebiehať v budúcich elektrárňach s jadrovou fúziou. Zdrojom deutéria by mala byť voda a trícium sa bude získavať reakciou neutrónov s jadrami lítia. Jeden kilogram fuznej zmesi by mal predstavovať energetický ekvivalent k 10 miliónom kilogramov fosílnych palív.
Jadrová fúzia – najprogresívnejšie riešenie
Jadrová fúzia, či inak, nukleosyntéza. Vďaka nej žiaria hviezdy, existujú kamenné planéty, a napokon aj život sám. Vyriešenie úlohy, ako spustiť a udržať riadenú jadrovú fúziu v pozemských podmienkach je asi to najefektívnejšie a najperspektívnejšie riešenie energetickej spotreby ľudskej civilizácie. Doposiaľ sa nám podarilo „zvládnuť“ len explozívnu formu reakcie v podobe vodíkovej bomby. A to nepochybne nie je tá správna odpoveď na energetický problém. Vyvolať a udržať jadrovú fúziu tak, aby aspoň nejakú dobu produkovala viacej energie, než sa ňu vynaloží, je zložitou úlohou, ktorou sa jadroví fyzici zaoberajú už viac ako polstoročie. Postupne, po malých krokoch a čiastkových úspechoch sa približujú k fúznemu reaktoru. Zdrojom produkovanej energie by mala byť reakcia, pri ktorej sa jadrá deutéria (izotop vodíka) zlučujú s jadrami trícia (najťažší izotop vodíka) za vzniku jadier hélia, voľných neutrónov a uvoľnenej energie. Samotná fúzia môže byť vyvolaná veľmi vysokou teplotou vodíkovej plazmy, udržiavanej silnými magnetickými poľami v strede prstencovej komory tokamaku. Na tomto princípe by pracovať napríklad plánovaný reaktor ITER, ktorý by mal byť spustený v roku 2016 v Centre pre jadrový výskum vo francúzskom Cadarache.
Ako impulz na vyvolanie fúznej reakcie môže slúžiť aj silný laserový impulz, ktorý by vo veľmi krátkom zlomku sekundy dokázal ohriať terčík zo zmrazenej zmesi vodíkových izotopov na dostatočne vysokú teplotu a vyvolať dostatočne silnú rázovú vlnu. Tento prístup sa nazýva inerciálne udržanie. Aj to je jeden z cieľov, ku ktorým smerujú experimenty na dvoch vysokovýkonných petawattových laseroch – v americkom Texase a v britskom Didcote v Oxfordshire.
Animácia virtuálnej cesty laserom Vulcan
Najvýkonnejšie lasery v súčasnosti
V posledný marcový deň tohto roka sa najvýkonnejším laserom stal americký petawattový laser z Centra pre výskum pomocou vysokovýkonných laserov v Texase. (Centre for High Intensity Laser Science). Fyzici z Univerzity v texaskom Austine pomocou zosilňovača na báze neodýmového skla vytvorili laserový infračervený lúč s energiou 190 joulov. Jeho skoncentrovaním do nepostrehnuteľného okamihu necelých 170-tich femtosekúnd (femto: 10-15) vytvorili laserový pulz s výkonom viac ako 1 petawatt (1015W), presnejšie: 1 015 000 000 000 000 Wattov. Vraj je to 2tisíc krát viac, ako okamžitý výkon všetkých amerických elektrární.
Prešlo šesť týždňov a v polovici mája Laboratórium pre laserovú energetiku (The Laboratory for Laser Energetics (LLE)) Univerzity v Rochestri v americkom štáte New York získalo k svojmu pôvodnému laserovému zariadeniu OMEGA aj ďalšie prídavné OMEGA EP (Extended Performance), so štyrmi vysokoenergetickýchmi lasermi. Dva z nich môžu skoncentrovať až 2 600 joulov energie do desiatich pikosekúnd. Tým sa vraj systém OMEGA EP stal v súčasnosti najvýkonnejším laserom a vážne konkuruje Texasanom – aj keď v podstate na domácej pôde. Otázky prvenstva však rozriešia až reálne výsledky experimentov.
V tom istom čase, v polovici mája, sa v médiách skloňoval aj Vulcan – britský, tiež petawatový laser v Rutheford – Appletonovom laboratóriu v Oxfordshire (Rutherford Appleton Laboratory). Medzinárodnému tímu vedcov nielen z Británie, ale aj z iných krajín Európy, Japonska a USA sa podarilo laserový lúč s energiou 300 joulov skoncentrovatť do okamihu kratšieho ako jedna pikosekunda (piko:10-12) a dosiahnuť výkon 1 petawatt (1015W). Nasmerovali ho síce do nepatrného cieľa – do 9 mikrometrového bodu, čo predstavuje asi desatinu hrúbky ľudského vlasu, ale aj tak tento terčík predstavoval väčší objem hmoty, než pri predchádzajúcich pokusoch. A dosiahli v ňom okamžité zvýšenie teploty až na 10 miliónov stupňov Kelvina (alebo aj Celzia, pri vysokých hodnotách rozdiel v stupniciach nehrá žiadnu rolu), čo je údaj, ktorý presahuje teplou v slnečnej koróne.
Pri predošlých experimentoch sa dosahovali podobné teploty, ale ak bol terčík podstatne menší, s vrstvou tenšou než 1 mikrometer, ohrev viedol k veľmi rýchlej tvorbe hustotných nehomogenit a k obmedzeniu možností výskumu. Pri britskom experimente však objem terčíka zabezpečil, že zohriaty materiál zotrval pri tejto extrémne vysokej teplote v pevnom skupenstve najmenej 20 pikosekúnd. A to je už dostatočne dlhá doba pre röntgenový spektrometer a optickú diagnostickú vysokorýchlostnú vzorkovaciu kameru HISAC (high speed sampling camera) s veľkou priestorovou aj časovou rozlišovacou schopnosťou. Na snímanie ultra-rýchlostných javov v extrémnych podmienkach ju špeciálne vyvinuli na Univerzite v Osake. Kde, napokon, tiež majú výkonný petawattový, 12 lúčový laser GEKKO XII.
V jadre Slnka, kde prebiehajú jadrové fúzne reakcie je asi 15 miliónov stupňov Kelvina. Zdalo by sa, že sme už k týmto hodnotám blízko, no problémom je v pozemských podmienkach nedosiahnuteľný tlak. Preto súčasných 10 miliónov stupňov Kelvina je asi len desatinou teploty potrebnej na iniciovanie fúzie v plánovaných fúznych reaktoroch. To však neznižuje význam vysokoenergetických laserov. Majú celý rad ďalších vedeckých cieľov a smerov možného využitia. Okrem samotného materiálového výskumu umožňujú napríklad simulovať podmienky, ktoré vznikajú pri výbuchoch supernov, či v blízkosti neutrónových hviezd.
„Toto je vzrušujúci vývoj. Teraz máme nový nástroj, ktorým môžeme skúmať veľmi horúcu a hustú hmotu. Starostlivý výber parametrov terčíka umožňuje prístup do nových režimov experimentu“ dodáva vedecký šéf projektu Vulcan, profesor Peter Norreys z Rutherford – Appletonovho laboratória a z Kráľovskej univerzity v Londýne.
Budúcnosť – projekty, spolupráca ... konkurencia
Vývoj poháňaný nielen závažnosťou energetických otázok budúcnosti, ale aj súperením v jadrovom výskume, smeruje k výstavbe prvých zariadení, zameraných priamo na vyvolanie a udržania jadrovej fúzie pomocou laseru. Už od roku 1997 je vo výstavbe Národné zážehové zariadenie - National Ignition Facility (NIF) – v Lawrencovom národnom laboratóriu v Livermore (Lawrence Livermore National Laboratory), v Kalifornii, v USA. Dokončenie je naplánované na budúci rok a prvé testy spojené už priamo s pokusom o spustenie samobudiacej kontrolovanej fúzie na rok 2010. Samozrejme, že za touto obrovskou investíciou vo výške 4 miliárd dolárov je ukrytý aj výskum nukleárnych zbraní. Európskou, veľmi „rozvážnou“ odpoveďou je zariadenie HiPER (High Power laser Energy Research facility). Projekt vznikol v spolupráci dvanástich krajín (aj Českej republiky) a 28. apríla tohto roku sa začala jeho trojročná prípravná fáza. Začiatok samotnej výstavby je naplánovaný najskôr v roku 2014, jej ukončenie asi v roku 2020. Vo Francúzsku je v súčasnosti pred dokončením výkonný petawattový laser PETAL (PETawatt Aquitaine Laser), ktorý bude akýmsi predbežcom aj testovacím a demonštračným zariadením pre fyzikálne riešenia a laserové technológie pre HiPER. PETAL by mal dosiahnuť výkon až niekoľkých petawattov pri energii lúča až do 3 500 joulov a dobe pulzu od 0,5 do 5 pikosekúnd.
K dobe, keď elektrické rozvodné siete budú napájané z elektrární na jadrovú fúziu vedie ešte dlhá cesta. Možno, kráčajúc po nej, si ľudia budú vedieť predstaviť niečo v súčasnosti tak nerealistické: svet bez smogu a všetkých tých ekonomicko-mocenských šachov okolo ropy.
Zdroj: Rutherford Appleton Laboratory https://www.clf.rl.ac.uk/news/CLF_News/2008/may08_hotter_than_the_sun.htm
Physorg: https://www.physorg.com/news126847791.html
The Laboratory for Laser Energetics (LLE) of the University of Rochester: https://www.lle.rochester.edu/01_aroundthelab/01_aroundthelab.php
ITER: https://www.iter.org/
HiPER“ https://www.hiper-laser.org/
Wikipedia