Lasery a efektivní fúze

Ze školy si možná všichni pamatujeme, že jednou ze zásadních jaderných reakcí je tzv. nukleární fúze. Při ní dochází ke slučování jader atomů a zároveň se při přeměně lehčích prvků v těžší uvolňuje značné množství energie. Takováto reakce probíhá například v hvězdách a má mnohem větší efektivitu, než jaderné štěpení, které dnes používáme v průmyslových reaktorech. Také už asi ze školy víme, že dokonalé ovládnutí fúze je svatým grálem energetiky a že jsme od ní asi 30 let daleko – a je úplně jedno, kdy v posledních desetiletích jste do školy chodili. O fúzi se pořád mluví jako o něčem, co chápeme, ale ještě ne dostatečně ovládáme a oněch ikonických „30 let“ opakujeme už minimálně půl století. 

O úskalích termonukleární fúze, a proč se pořád nedaří posílat do drátů elektřinu vyrobenou pomocí malých, průmyslových sluncí, by se dalo mluvit dlouho. Nás ale zajímá, jakou roli ve snaze dosáhnout úspěchu při spuštění efektivní fúze hrají lasery. Jednoduchá odpověď zní: pravděpodobně zásadní.

Možností jak v řízeném prostředí dosáhnout fúze je totiž několik. V pozemských podmínkách se nejlepším palivem fúzních reaktorů ukazuje být reakce deuteria a tritia, tedy tzv. těžký a supertěžký izotop vodíků. Aby ale došlo k „zapálení“, je potřeba je přivést k teplotám 100–200 milionů kelvinů. V takovém stavu je hmota ve skupenství plazmy, konkrétně vysoce energetického plazmatu s nesmírnou hustotou. V podstatě tak stojíte před úkolem tuto plazmu nějak udržet dostatečně dlouho na to, aby se spustila řízená fúze a vy mohli bezpečně energii využívat. Samozřejmě s tím, aby byla celá soustava stabilní – neřízenou fúzi už totiž zvládáme docela dobře, jen jí říkáme termonukleární zbraň a to opravdu není dobrá hračka.

Laserové technologie nacházejí uplatnění v metodě tzv. inerciální udržení. Jeho princip spočívá v tom, že se palivo prudce zahřeje a zápalné teploty fúze dosáhne v těch několika zlomcích vteřiny předtím, než by nestabilní, magneticky nedržená plazma expandovala do okolí. Název inerciální udržení odkazuje na to, že setrvačnost (inerce) na potřebné nanosekundy udrží palivo pohromadě.

Pro dosažení inerciální fúze je proto potřeba palivo v pevném skupenství nesmírně stlačit tak, aby se prudce navýšila jeho hustota. Ve škole jsme se možná učili, že kapaliny a pevné látky jsou nestlačitelné, nicméně při extrémních tlacích to možné je. Aby se ovšem dosáhlo takového mimořádného tlaku, je potřeba mimořádných postupů. Vysokoenergetickým laserovým paprskem působícím na povrch paliva dojde k prudkému zvýšení teploty a změně skupenství. Excitované atomy uvolněných plynů se odrážejí od stále ještě pevného povrchu a působí značným tlakem směrem dovnitř. 

Obr. 1: Schéma spuštění jaderné fúze při inerciálním udržení. 1) Laserové paprsky dopadají na povrch paliva, při prudkém zahřátí vzniká plasmový obal. 2) Materiál je vystřelen směrem od okraje, namísto jeho raketového odpálení pryč na něj ale působí protisměrné lasery. 3) Soustava se na zlomky nanosekund dostává do rovnováhy, kdy se všechen tlak soustředí ve středu palivové kuličky. 4) Jádro dosahuje teploty 100 milionů °C a obrovské hustoty. Spouští se jaderná fúze.

Aby se zabránilo vystřelení hmoty, je potřeba palivo bombardovat laserovými paprsky z více stran tak, aby byly tlaky v rovnováze směrem dovnitř. Je potřeba říci, že se bavíme o skutečně extrémních podmínkách. Teploty musí přesáhnout 100–200 milionů °C, ve stavu plazmatu se palivo udržuje několik desetin miliardtin sekundy (hrozné to jen napsat, natož si to představit). Vnitřní tlaky v palivu jsou stomilionkrát vyšší, než tlak atmosférický. 

Nebýt laserových technologií, nebylo by možné tak extrémních podmínek dosáhnout. Jiné fúzní reaktory, jako například známé tokamaky (které se také stále nepodařilo dotáhnout k průmyslovému využití), využívají princip tzv. magnetického držení. Při něm se plazma stabilizuje ve vakuu, postupně se zahřívá a koncentruje. Inerciální držení působí o poznání dramatičtěji, paradoxně je ale díky naší schopnosti stavět supervýkonné lasery dosažitelnější. Fúzní elektrárna založená na inerciálním držení by vlastně byla jednou velkou laserovou soustavou. 

Obr. 2: Palivová kulička užívaná NIF, obsahující směs deuteria a tritia v pevném skupenství uvnitř plastové kuličky. (Zdroj: National Ignition Facility)

Abychom totiž místo reaktoru nevyrobili bombu, musí být palivový terčík bombardovaný laserem velmi malý. V dnešních zařízeních se laserem bombardují „peletky“ vytvořené z plastové kuličky o velikosti kuličky pepře. Ta je naplněná hluboce podchlazenou směsí deuteria a tritia, které se před „zapálením“ nachází v pevném skupenství. Výsledkem je relativně malá exploze (která ovšem uvolňuje energii v řádech sta milionů joulů), v průmyslovém využití by proto takových miniaturních explozí probíhala celá série za sebou.

Ani inerciální udržení ale není dokonale zvládnuté – jak už to tak bývá, co se zdá být funkční v teorii, pokulhává v praxi. Rozvoj technologie trvá už od 70. let, v novém století byly největší naděje dávány do zařízení National Ignition Facility (NIF) v USA. Jde o doposud největší zařízení tohoto typu, které je schopné palivo bombardovat celkem 192 laserovými paprsky, jež dokázaly palivový terčík ohřát energií 2 MJ. Jde mimochodem o tak high-tech stavbu, že si dokonce v jednom Star Trek filmu zahrála v roli strojovny lodi Enterprise. I v tomto provozu se ale původní očekávání nenaplnila a tříletá kampaň spuštěná v roce 2009 nedosáhla stanoveného cíle, totiž dostatečně energeticky efektivního zapálení fúze. Zařízení NIF sice různými technickými úpravami až čtyřicetinásobně zlepšilo výtěžky z dosažené fúze, přesto to nestačilo. Původní ambice NIF jsou tak dnes v útlumu a zařízení se věnuje jiným vědeckým úkolům spojeným s materiálovou vědou a vojenským výzkumem.

Obr. 3: Schéma zařízení NIF. Paprsky z laserových zařízení (modře) se koncentrují do jednoho bodu uvnitř palivové komory (červeně), kde je umístěna palivová kulička. (Zdroj: National Ignition Facility)

To ovšem neznamená, že by potenciál technologie byl mrtvý – právě naopak. Existuje několik dalších výzkumných center hledajících vhodnou cestu (konkrétně se řeší přesný způsob zapálení palivové kuličky, fokusování energie laserů a podobně), navíc ani NIF možná ještě neřekl poslední slovo. Pointa je v tom, že laserové stlačování paliva funguje. Pereme se ne se samotným fyzikálním principem, ale především s energetickou náročností laserů a konkrétními konstrukčními řešení. Ano, je pravda, že pozornost některých výzkumných center se od laserů posouvá směrem k urychlovačům schopným generovat iontové pulsy s podobným efektem. Jak ale ví každý fanoušek sci-fi, lasery jsou cool a ještě není důvod přestat jim držet palce. Ostatně nezapomínejme: průmyslová jaderná fúze je už jen 30 let daleko.