10. Zapálíme Slunce na Zemi?
Do dvaceti let vyřeší energetické problémy lidstva termojaderná fúze! Tak to je nadčasový slogan, který jsem poprvé slyšel na základní škole, poté na střední, na vysoké a dnes ho sám říkám svým studentům.
Jak se vůbec dá z hmoty získat energie? Vazebná energie jader je největší pro železo. Pokud chceme manipulací s jádry energii získat, musíme buď slučovat lehká jádra na těžší nebo naopak štěpit velká jádra na menší.
Obě cesty se lidé pokoušejí využít ve svůj prospěch. Snadnější je zvládnutí štěpné reakce, jejíž princip se využívá v dnešních jaderných elektrárnách. Přestože je jejich provoz relativně bezpečný, dochází občas ke katastrofám, z nichž zatím největší byly v ukrajinském Černobylu v roce 1986 a v japonské Fukušimě v roce 2011. Velkým problémem jaderných elektráren je uskladňování vyhořelých palivových článků, o které je třeba se starat stovky let. Navíc je množství paliva pro jaderné elektrárny velmi omezené.
Proto se lidstvo pokouší už dlouhá léta o získání energie slučováním lehkých jader, které v přírodě probíhá samovolně v jádrech hvězd, včetně našeho Slunce. Jde o dlouhodobý a velmi pomalý proces. Zvládnutí obdobných reakcí v pozemských podmínkách znamená zcela odlišnou situaci. Energii je třeba získat rychle a z malého objemu plazmatu, které podléhá řadě nestabilit a chová se jako klubko neposedných háďat.
Ve Slunci je základním palivem vodík. Sloučení dvou jader vodíku může trvat statisíce let. Poté probíhá řada dalších, rychlejších reakcí. Tolik času v laboratorních podmínkách k dispozici nemáme. Je třeba využít rychlých reakcí deutéria, tedy vodíku, který má v jádře proton a neutron. V oceánech v průměru připadá na 6 400 atomů vodíku jeden atom deutéria. Litr vody obsahuje 1/3 gramu deuteria, které energeticky odpovídá 300 litrům benzínu! Vzhledem k objemu oceánů je deuterium téměř nevyčerpatelným zdrojem energie.
Nejúčinnější je reakce deuteria s tritiem – to je vodík, který má v jádře proton a dva neutrony. Při reakci deuteria s tritiem můžeme získat více než čtyřnásobné množství energie oproti štěpné reakci. Většina konstrukcí fúzních reaktorů se proto zaměřuje na toto palivo. Při fúzi se spotřebovává deuterium a lithium, ze kterého vzniká potřebné tritium a jako odpad vzniká neškodné hélium.
Na první pohled jde o dokonalý reaktor, jeho palivo ani odpad nejsou nebezpečné. V obalu reaktoru sice vzniká řada radioaktivních prvků, ale vhodnou volbou materiálu můžeme dosáhnout vzniku produktů s krátkým poločasem rozpadu. Ve fúzních reaktorech je velmi malé množství paliva a případná havárie fúzního reaktoru by nikdy neohrozila okolí.
K zažehnutí termojaderné fúze je zapotřebí udržet plazma s dostatečně vysokou koncentrací a teplotou po dostatečně dlouhou dobu. První fúzní reakce byla uskutečněna v Los Alamos v roce 1958 na zařízení Scylla. Šlo o sloupec deuteriového plazmatu, kolem něhož tekl prudce narůstající elektrický proud, který vytvořil magnetické pole udržující po krátkou dobu plazma na místě. Tenkrát bylo období studené války a mocnosti experimenty před druhou stranou pečlivě tajili. Obě strany si uvědomovali, že plazma ve tvaru sloupce uniká na koncích pryč z aparatury. Mnohem vhodnější je konfigurace, ve které plazma tvoří uzavřený prstenec. Na východ od železné opony se vydali cestou tokamaků, ve kterých plazmový prstenec tvoří sekundární závit transformátoru a magnetické pole kolem plazmatu vytváří proud tekoucí plazmatem. Na západní straně vznikl stelarátor. Jeho název je zkratkou z stellar generator, tedy generátor hvězd. Název připomíná, že se experimenty pokoušejí uskutečnit reakce probíhající ve hvězdách. Ve stelarátoru generují magnetické pole cívky. K největším stelarátorům patří zařízení LHD, které funguje od roku 1998 v Japonsku. Ve stavbě je německý obří stelarátor W7-X, který by měl být uveden do provozu v roce 2014. Plazmový prstenec bude mít průměr neskutečných 11 metrů a tloušťku zhruba metr. Počítá se s teplotou plazmatu 100 milionů kelvinů.
V současnosti největším tokamakem na světě je evropská aparatura JET umístěná v anglickém Culhamu. Obří třímetrový prstenec plazmatu má v řezu tloušťku přes jeden metr. V roce 1997 byl dosažen fúzní výkon 16 MW. Plazma je zde drženo přes deset sekund. A co dál? Plánuje se stavba mezinárodního termojaderného reaktoru ITER v blízkosti francouzského městečka Cadarache. Poloměr plazmového prstence bude 6 metrů a fúzní výkon 500 MW. Výstavba bude stát 5 miliard eur a tokamak by měl být zprovozněn po roce 2020. Sen o zapálení Slunce na Zemi se přiblížil tak, jako nikdy předtím.
Existuje další způsob, jak dosáhnout na Zemi hvězdných reakcí, tzv. inerciální fúze. Na kapsli paliva v pevném stavu se posvítí mnoha lasery z mnoha stran. V mimořádně hustém a horkém plazmatu stačí proběhnout fúze dříve, než se plazma rozletí do stran. Svou setrvačností zůstane vzniklé plazma po malou chvíli na místě původní kapsle, a to postačí.
K největším zařízením pro laserovou fúzi patří americký systém NIF, jehož stavba byla dokončena v roce 2009. Pro zažehnutí fúze se používá laserový pulz o výkonu 500 TW, který osvítí reaktor ze 192 směrů současně. V Anglii se ke stavbě připravuje evropský systém pro inerciální fúzi HiPER. Jeho stavba započne po roce 2013. K zažehnutí budou použity dvě soustavy laserů. Primární lasery ohřejí kapsli a sekundární provedou kompresi a další ohřev paliva. Zařízení bude veliké jako fotbalový stadion. Na vývoji se podílí i Česká republika.
Česká republika má k fúznímu výzkumu velmi blízko. Máme k dispozici nejen menší tokamak Compass D, ale i jeden z největších laserů v Evropě PALS. To ale ještě není vše. V obci Dolní Břežany bude za několik let stát unikátní laserové centrum ELI Beamlines. Za pomoci špičkových laserů zde budou generovány nejintenzivnější pulzy světla, jaké kdy byly v laboratoři vytvořeny. Výzkumný program bude opravdu bohatý a počítá se i s českým příspěvkem k fyzice laserové fúze.
Za uplynulá desetiletí se v poznávání fúzního plazmatu vykonalo mnoho práce a k realizaci jsou připraveny gigantické projekty. Nikdy jsme nebyli cíli tak blízko. A kdy to tedy bude? Rusové na to mají úžasné slovo čuť čuť, jihoevropské národy říkají maňána. Je to určitě výstižnější, než neustále opakovat, že za dvacet let.