Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 6 – vyšlo 8. února, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

6/2019

Zapálíme Slunce na Zemi?

Petr Kulhánek

Od doby, kdy Hans Bethe a další odhalili, že zdrojem energie hvězd je slučování lehkých atomových jader, se snaží lidstvo využít stejný zdroj energie pro své potřeby na Zemi. Často používaný slogan „Zapálíme Slunce na Zemi“, ale není správný. SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. má hmotnost 2×10³⁰ kilogramů, zatímco ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. jen 6×10²⁴ kilogramu. Logicky si tedy Slunce na Zemi pořídit nemůžeme. Horké plazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství., v němž se reakce uskutečňují, je v centrálním slunečním kotli stabilizováno obrovskou gravitací Slunce, což na Zemi zopakovat nedokážeme. V našich laboratořích není plazma drženo gravitačně, ale magnetickými poli, nebo spoléháme na jeho setrvačné vlastnosti, pak ale reakce probíhají v opakujících se pulzech. Dalším rozdílem je typ uskutečňovaných reakcí. V nitru Slunce začínají reakce sloučením dvou protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem., které probíhá jen velmi pomalu slabou interakcíSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10^–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W⁺, W⁻ a Z⁰ se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD).. Na Zemi si nemůžeme dovolit čekat statisíce let, než se v reaktoru sloučí první dva protony. Proto se využívají jen ty reakce, které probíhají rychle za pomoci silné interakce, nejčastěji slučování jader deuteriaDeuterium – těžký vodík, v jádře má jeden proton a jeden neutron. V průměru na Zemi připadá na 7 000 atomů normálního vodíku jeden atom deuteria. Jde o stabilní izotop vodíku. a tritiaTritium – velmi těžký vodík, v jádře má jeden proton a dva neutrony. Jde o nestabilní jádro s poločasem rozpadu 12,32 let.. V mnoha ohledech se proto na Zemi snažíme vytvořit zdroj energie, který se jen vzdáleně podobá tomu, co probíhá ve hvězdách.

Slunce v říjnu 2017 v ultrafialovém oboru. Zdroj: NASA/SDO.

Tokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025. Stelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku. Inerciální fúze – uskutečnění fúze za pomoci setrvačnosti. Zpravidla jde o peletu (kapsli paliva v pevném stavu), na níž je namířeno velké množství laserů. Peleta se změní na plazma, v němž probíhá fúzní reakce tak dlouho, dokud plazma zůstává setrvačností v reakční oblasti. K největším zařízením pro laserem iniciovanou fúzi v současnosti patří systémy Gekko XII (Japonsko) a NIF (USA). Ke stavbě se připravuje evropský systém HiPER, jehož osud je značně nejasný. Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.

Základní princip

Vazební energie jader se mění v závislosti na počtu nukleonůNukleon – společný název pro částice jádra (protony a neutrony). Jde o baryony složené z kvarků „u“ a „d“. v jádře. Největší vazební energii vztaženou na jeden nukleon má jádro obyčejného železaŽelezo – Ferrum, kovový prvek významně zastoupený na Zemi i ve vesmíru. Má všestranné využití při výrobě slitin pro výrobu většiny základních technických prostředků používaných člověkem. Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů vzniku současné civilizace.. Právě proto v nitru hvězd mohou vznikat pouze prvky až po železo, na vznik hmotnějších jader by bylo třeba dodávat energii. Těžší prvky vznikají až v rázových vlnách při explozích supernovSupernova – rozmetání podstatné části hvězdy, při kterém vznikne extrémně jasný objekt, jehož svítívost se o více než 4 řády zvýší. Minimálně 10 % hmotnosti původní hvězdy se přemění na energii exploze. Svítivost posléze klesá v průběhu týdnů či měsíců. K tomuto konci vedou dvě možné cesty: 1) jedná se o velmi hmotnou hvězdu, která ve svém jádře vyčerpala zásoby paliva a začala se hroutit pod silou své vlastní gravitace na neutronovou hvězdu, nebo černou díru; 2) jedná se o bílého trpaslíka, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce, dosáhl Chandrasekharovy meze a prodělal objemovou termonukleární explozi., kde je energie nadbytek. Z atomových jader je možné získávat energii dvojím způsobem. Prvním z nich je štěpení, při němž rozmělňujeme velká jádra na menší, abychom se co nejvíce přiblížili jádru železa. Štěpná reakce je základem všech současných atomových elektráren. Jako palivo většinou slouží některé izotopy uranuUran (prvek) – radioaktivní chemický prvek, kov, patří mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem. Izotop 235 se využívá jako palivo v jaderných elektrárnách. Je pojmenován po planetě Uran.. Opačnou metodou je slučování menších jader, které přirozeným způsobem probíhá ve hvězdách. Hovoříme o tzv. fúzi, často také o termojaderné fúzi, neboť k uskutečnění reakce jsou nutné vysoké teploty. Pouze protonyProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. s velkou rychlostí (teplotou) jsou schopné proniknout do kladně nabitých atomových jader a integrovat se v nich. I tuto reakci dokázalo lidstvo zvládnout, například ve vodíkové bombě. Její zkrocení pro dlouhodobé získávání energie se ale zatím nedaří.

Cesta získávání energie štěpením je sice výrazně jednodušší, ale přináší řadu následných problémů, z nichž nejvýznamnějším je uskladňování vyhořelých palivových článků, v nichž se nacházejí produkty reakcí s poločasy rozpadu i v řádu tisíců let. Existují způsoby, jak toto zužitkované palivo dále zpracovat, ale jsou relativně drahé a energetické společnosti nemají žádný důvod (kromě morálního) se dalším zpracováním zabývat. Jejich jediným hodnotovým žebříčkem je samozřejmě zisk. Tento problém nemají fúzní reakce. Jednak je paliva malé množství a jednak mají produkty reakce i zúčastněná jádra krátké poločasy rozpadu, například tritiumTritium – velmi těžký vodík, v jádře má jeden proton a dva neutrony. Jde o nestabilní jádro s poločasem rozpadu 12,32 let. pouhých 12,3 roku. To samé platí i o radioaktivních prvcích vznikajících v obalu reaktoru. Při fúzních reakcích se většinou jako palivo používá deuteriumDeuterium – těžký vodík, v jádře má jeden proton a jeden neutron. V průměru na Zemi připadá na 7 000 atomů normálního vodíku jeden atom deuteria. Jde o stabilní izotop vodíku., kterého je v mořské vodě velké množství. Druhou komponentou bývá tritium, to lze získávat z kapalného lithiaLithium – nejlehčí ze skupiny alkalických kovů, značně reaktivní, stříbřitě lesklého vzhledu. Jedná se o lehký a měkký kov, který lze krájet nožem. Dobře vede elektrický proud a teplo. Bylo objeveno roku 1817 švédským chemikem Johannem Arfvedsonem., které slouží jako chladící médium reaktoru a odvádí tepelnou energii do parogenerátoru.

Princip tokamaku, v němž je jako chladící médium použito kapalné lithium,
které se v reaktoru mění na tritium potřebné v reakci. Kresba: I. Havlíček.

První fúzní neutrony na světě byly detekovány na zařízení Scylla v roce 1958 v americkém Los Alamos. Šlo o lineární sloupec deuteriového plazmatu, kolem něhož v azimutálním vodiči tekl prudce narůstající elektrický proud, který vytvořil osové magnetické pole udržující po alespoň krátkou dobu plazma na svém místě. Éra prvních fúzních pokusů byla silně poznamenána studenou válkou mezi západními a východními mocnostmi a většina experimentů byla udržována v tajnosti. Na východní straně železné opony byly testovány tokamakyTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025., na západní stelarátoryStelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku.. Určité uvolnění přinesla návštěva představitelů Sovětského svazu v čele s Nikitou Chruščovem ve Velké Británii v roce 1956. V delegaci byl vynikající ruský fyzik Igor Kurčatov a delegace navštívila Ústav pro výzkum atomové energie AERE v Harwellu, jehož ředitelem byl John Cockcroft. Následné uvolnění ale nebylo příliš výrazné.

Stelarátory

První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku padesátých let 20. století. Je to tentýž Spitzer, který prosadil stavbu Hubblova dalekohleduHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009.  a po němž je pojmenován infračervený Spitzerův vesmírný dalekohledSST (Spitzer Space Telescope) – Spitzerův vesmírný dalekohled. Kosmická observatoř NASA pracující v infračerveném oboru, která byla vynesena na oběžnou dráhu v srpnu 2003 nosnou raketou Delta 7920H ELV. Zrcadlo má průměr 85 cm. Přístroje byly chlazeny kapalným heliem na teplotu 5,5 K do roku 2009. Pozorovací spektrální rozsah byl v období chlazení 3÷180 μm. Od roku 2009 pracuje dalekohled v „teplém“ režimu – teplota celého dalekohledu je cca 30 K a  pracuje jen přístroj IRAS na vlnových délkách 3,6 μm a 4,5 μm. Program observatoře má na starosti California Institute of Technology.. Název reaktoru je zkratkou z anglického stellar generator, tedy generátor hvězd. Má připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. Ve stelarátoru je veškeré magnetické pole držící plazma generováno cívkami. Největším stelarátorem světa je Wendelstein 7-X v německém Greisfeldu (MPIMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s po­boč­kami v mnoha velkých městech. Zahrnuje celkem 80 ústavů, jde o německou obdobu naší Akademie věd.), který byl uveden do provozu v roce 2015. Název stelarátoru je odvozen od hory Wendelstein v Bavorsku (podobně jako tomu bylu u projektu Matterhorn). Jeho parametry jsou vskutku úctyhodné: plazmový prstenec má průměr 11 metrů a tloušťku zhruba metr. Plazma ve stelarátoru má objem 30 m³, teplotu až 100 milionů kelvinů a koncentraci 3×10²⁰ částic v metru krychlovém. Magnetické pole potřebné na udržení plazmatu má hodnotu 3 tesla. Doba výboje by se měla postupně prodlužovat, cílem je dosáhnout v roce 2019 kontinuálního režimu, který by v roce 2021 měl trvat až 30 minut. Teplota plazmatu je zvyšována mikrovlnným ohřevem. Komora s plazmatem má futuristický tvar, který byl navržen pomocí počítačové simulace. První testy probíhaly s heliovým plazmatem, v současnosti jde o vodíkové plazma o teplotě 80 milionů kelvinů. Cílem zařízení je otestovat a navrhnout hlavní komponenty budoucí termojaderné elektrárny. Druhým největším stelarátorem současnosti je LHD (z anglického Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku.

Wendelstein 7-X, největší stelarátor světa. Zdroj: MPI/IPP.

Tokamaky aneb cestou necestou

Souběžně se stelarátoryStelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku. byly na druhé straně tenkrát rozděleného světa vyvíjeny tokamakyTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025.. Na jejich konstrukci se v Sovětském svazu úspěšně podíleli Lev Arcimovič (1909–1973), Igor Tamm (1895–1971) a Andrej Sacharov (1921–1989) v Kurčatovově institutu. Název zařízení tokamak je odvozen z ruského „TOroidalnaja KAmera s MAgnitnimi Katuškami“ (toroidální nádoba s magnetickými cívkami). Na rozdíl od stelarátoru tvoří v tokamaku plazmový prstenec jediný sekundární závit obřího transformátoru a poloidální pole kolem prstence generuje proud tekoucí plazmatem, nikoli cívky. Tokamaky slavily jeden úspěch za druhým. Doba udržení plazmatu se postupně prodlužovala od zlomků sekundy po současné stovky sekund. K největším současným tokamakům patří francouzský Tore SupraTore Supra – tokamak postavený v blízkosti hradu Cadarache ve Francii. Stavba byla započata v roce 1982 a první plazma bylo v tokamaku vytvořeno v roce 1988. Průměr komory tokamaku je 2,25 m. V roce 1996 se zde dosáhlo rekordní doby trvání výboje 2 minuty a v roce 2003 dokonce 6,5 minuty. Po výměně divertoru za wolframový byl v roce 2016 přejmenován na tokamak WEST., americký TFTRTFTR – Tokamak Fusion Test Reactor, tokamak v PPPL fungující od roku 1982 do roku 1997. V tomto reaktoru byla dosažena rekordní teplota plazmatu – 510 milionů stupňů Celsia. Jeho teplotní rekord byl překonán, byť jen o pár procent, tokamakem JT-60U. Jde již o teploty, které jsou z hlediska rezonanční reakce deuteria s tritiem až příliš vysoké, reaktivita DT plazmatu při teplotách nad 150 milionů stupňů klesá vzhledem k nižší pravděpodobnosti vzniku složeného jádra ⁵He. Tokamak TFTR byl spolu s JET jediný, který použil v experimentech směs deuteria a tritia. a největší tokamak JETJET – Joint European Torus, zařízení postavené v anglickém Culhamu. Stavba byla započata v roce 1978 a byla dokončena v roce 1983. První řízená termojaderná syntéza byla díky použití směsi deuteria a tritia uskutečněna v roce 1991 (1 MW), v roce 1997 byl dokonce dosažen fúzní výkon 16 MW. Společnost JET Joint Undertaking provozující tokamak ukončila činnost v roce 1999. Od té doby provozuje JET společnost UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority) pro uživatele z celé Evropské unie a Švýcarska. v blízkosti anglického Culhamu, který má poloměr plazmového prstence 3 metry a poloměr plazmatu 1,25 metru.

Největší fúzní stavbou současnosti je ITER. Tato zkratka znamená „International Thermonuclear Experimental Reactor“ (Mezinárodní termojaderný pokusný reaktor). Současně je slovo „iter“ latinským vyjádřením pro „cestu“, v přeneseném významu jde o cestu lidstva k termojaderné fúzi. Velkolepá stavba reaktoru probíhá v jižní Francii, v blízkosti francouzského hradu Cadarache. Při naší návštěvě v roce 2015 se stavěla hala tokamaku a některé další pomocné budovy. Nic nenasvědčovalo tomu, že by zde za pouhých pět let měl být v provozu největší tokamak světa. Krátce po naší návštěvě bylo oznámeno pětileté zpoždění projektu, takže se nyní počítá se spuštěním až v roce 2025. Reaktor bude mít poloměr komory 6,2 metru a předpokládaný výkon reaktoru má být 500 MW. Přesto celkové množství paliva v komoře nepřesáhne jeden gram. Fyzikové i konstruktéři doufají, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou prvního prototypu termojaderné elektrárny (tzv. DEMODEMO – DEMOnstration Power Station, ukázkový prototyp termojaderné elektrárny, který má být postaven po ověření základních principů na tokamaku ITER. Uvažuje se o výkonu 2 gigawatty a zprovoznění v druhé polovině 30. let 21. století. Vše ale závisí na úspěchu či neúspěchu tokamaku ITER, který má být zprovozněn po roce 2025. V současnosti není ještě dokončen ani návrh této elektrárny.). V současnosti nabírá stavba na obrátkách a roste jedna budova za druhou. Údajně jde o nejdražší pozemský projekt lidstva, dražší má prý být už jen Mezinárodní kosmická stanice.

Stav stavby tokamaku ITER v prosinci 2018. Zdroj: ITER.

Inerciální fúze

V tokamacích a stelarátorech probíhají fúzní reakce v relativně řídkém plazmatu. Aby reakce poskytla větší energii, než byla dodána do systému, je třeba, aby probíhala po dosti dlouhou dobu, ideálně v kontinuálním režimu. Inerciální fúze jde v jistém smyslu opačnou cestou. Palivo se nachází v malé a husté kompaktní kapsli (peletě), která je osvícena z mnoha směrů výkonnými lasery. Dodaná energie peletu přemění na velmi husté a horké plazma, v němž probíhají termojaderné reakce. Počet reakcí uskutečněných v objemové jednotce je neporovnatelně vyšší než u tokamaku či stelarátoru, ale plazma drží pohromadě pouze setrvačností a po dosti krátké době expanduje do okolí a reakce ustanou.

V současných systémech se využívá tzv. metoda rychlého zážehu (anglicky fast ignition), při které je ohřev kapsle zajištěn jednou soustavou laserů a při kompresní fázi na kapsli působí další soustava laserů s ultrakrátkým pulzem.Největším současným systémem pro inerciální fúzi je americké zařízení NIF (National Ignition Facility) postavené v národní laboratoři LLNLLLNL – Lawrence Livermore National Laboratory, slavná laboratoř patřící Kalifornské univerzitě. Založena byla v roce 1952. Jedním ze základních cílů bylo zajištění jaderné bezpečnosti USA. Dnes se podílí na experimentech z mnoha vědních oborů. (Lawrence Livermore National Laboratory). Stavba započala v roce 1997 a po mnoha průtazích byla dokončena v roce 2009. NIF využívá pro zapálení fúze ultrafialový pulz o výkonu 500 TW, který v několika pikosekundách osvítí reakční oblast ze 192 směrů současně. Zdrojem pulzů jsou neodymové lasery o základní vlnové délce 1053 nm (infračervený obor), která je převedena na třetí harmonickou frekvenci, jíž odpovídá vlnová délka 351 nm v ultrafialovém oboru. Celková energie laserů je 4 MJ, po konverzi do UV byla předpokládána depozice energie do terčíku cca 1,8 MJ, v roce 2018 se ale podařilo do terčíku dodat energii 2,15 MJ. Tato energie zahřeje malý kovový váleček, který zhruba polovinu této energie přemění na rentgenové záření a asi 20 % tohoto záření je absorbováno vlastní kapslí s palivem. NIF tedy využívá nepřímý ohřev. Výsledky jsou sice zajímavé, ale zatím nikoli takové, aby na tomto principu bylo možné v dohledné době postavit fúzní elektrárnu. Druhým největším systémem pro inerciální fúzi je japonské Gekko XIIGekko XII – japonský systém pro inerciální fúzi postavený na Univerzitě v Osace v roce 1983. Název zařízení má připomínat gekona (druh ještěrky). Na kapsli s palivem míří dvanáct Nd:YAG laserů o délce 10 metrů. Fáze ohřevu trvá 1 až 2 nanosekundy a do kapsle proudí celková energie až 10 kilojoulů. V současnosti zařízení využívá metodu rychlého zážehu, při které na kapsli zasvítí v kompresní fázi ještě další dva lasery s ultrakrátkým pulzem a je provozováno pod názvem FIREX II (z anglického Fast Ignition Realization Experiment). Po proběhlých úpravách a výměně laserů by měla být do kapsle dodávána energie 50 kilojoulů za pouhých 10 pikosekund.. Ke stavbě se také už mnoho roků připravuje evropský systém HiPER, ale realizace se neustále odkládá a nezdá se, že by k ní došlo v blízké budoucnosti.

NIF (National Ignition Facility), největší zařízení pro inerciální fúzi, USA.
Zdroj: NIF/LLNL.

Studená fúze

V roce 1989 se objevila zpráva o zvládnutí fúze za studena pomocí elektrolýzy těžké vody na povrchu paládiové elektrody. Zprávu zveřejnili Martin Fleischmann a Stanley Pons z Univerzity v Utahu v tiskovém prohlášení univerzity ze dne 23. března 1989. Anomální teplo uvolňované při elektrolýze zdůvodňovali fúzními procesy probíhajícími za pokojové teploty. Dokonce tvrdili, že měří přítomnost fúzních neutronůNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. a vznikajících jader tritiaTritium – velmi těžký vodík, v jádře má jeden proton a dva neutrony. Jde o nestabilní jádro s poločasem rozpadu 12,32 let.. Článek vzbudil obrovský ohlas a na mnoha pracovištích se pokoušeli fúzi za studena zopakovat. Některé ústavy, včetně jednoho pracoviště v tehdejším Československu, hlásily úspěšné zopakování experimentu se stejnými nebo dokonce ještě lepšími výsledky. Drtivá většina vědeckých týmů ale experimenty zopakovala s negativním výsledkem a podrobnější analýza nalezla ve vyhodnocení experimentů závažné chyby. Studená fúze se tak zařadila k několika dalším omylům současné vědy (k jiným patří například měření nadsvětelných rychlostí neutrin v experimentu CNGSCNGS – Cern Neutrinos to Gran Sasso. publikované v roce 2011 nebo detekce axionů v experimentu PVLASPVLAS – Polarization of Vacuum with LASer, italský experiment v laboratoři v Legnaru, který prokázal v roce 2006 stočení roviny polarizovaného světla (4×10⁻¹² rad/m) generovaného laserem (1063 nm) ve vakuu v silném magnetickém poli (5 T). Stočení bylo mylně vysvětlováno přeměnou části fotonů na pseudoskalární částice podobné axionům. publikovaná v roce 2006).

Později se ukázalo, že fúzi za studena lze skutečně provést za pomoci interakce deuteria a atomu tritia, který má v obalu namísto elektronu mionMion – těžký elektron, hmotnost má 207 m_e. Střední doba života je přibližně 2×10⁻⁶ s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936. (těžký elektron). Reakci nelze ale komerčně využít, neboť k přípravě tritiového atomu s mionem v obalu je třeba dodat větší energii, než se získá z následné fúze.

Schéma experimentu se „studenou fúzí“. Zdroj: Wikimedia/CC BY-SA 3.0.

Výhledy

Fúzní reakce jsou v současnosti nepochybně nejdůležitějším kandidátem na zdroj energie budoucnosti. Dostatek deuteria v mořské vodě činí z termojaderné fúze relativně levný a trvalý zdroj energie. Největší množství financí putuje do výzkumu tokamaků, kde je současnou metou dostavba tokamaku ITER. Změna rozměrů komory ze tří metrů (poloměr tokamaku JET) na 6,2 metru (ITER) a změna objemu plazmatu z 90 m³ (JET) na 840 m³ (ITER) s sebou může přinést neočekávané problémy, zejména nástup neznámých typů nestabilit a možnost vzniku tzv. ubíhajících elektronů při fázi zhášení plazmatu. Tyto elektrony interagují s okolním plazmatem minimálně (na to mají příliš vysokou rychlost) a jejich energie v řádu desítek megaelektronvoltů může poškodit komoru tokamaku. Zvládnutí termojaderné fúze je úsilím na hranici lidského poznání a přináší (a bude přinášet) řadu nečekaných problémů, jejichž řešení nemusí být triviální. Proto je důležité, že výzkum fúze probíhá na mnoha frontách (tokamaky, stelarátory, inerciální fúze, kompaktní zařízení, pinče) a jen budoucnost ukáže, která cesta přinese kýžené ovoce. Zvládnutí fúze je během na dlouhou trať a i když nepochybuji, že bude úspěšný, nemůžeme očekávat, že komerčně využívaná síť fúzních elektráren bude v provozu v nejbližších dvaceti letech. Jde tedy skutečně o energii pro budoucí generace. To, co zjevně funguje ve hvězdách, nefunguje tak snadno v našich laboratořích. S velkou houževnatostí lze ale překonat jakékoli překážky.

Třírozměrný průlet tokamakem ITER. Zdroj: ITER.

*   *   *

V bulletinu byly použity a aktualizovány některé
texty z autorovy publikace Blýskání.

Odkazy