Věda "objevuje" čtvrté skupenství hmoty

Termojaderná fúze je považována odborníky za naději energetiky příštího tisíciletí

Věda "objevuje" čtvrté skupenství hmoty

* Hmota se nachází ve třech základních skupenstvích: v pevném, kapalném a plynném. Na tomto zjištění stojí odvěký proces poznávání přírody. A nezměnilo se na něm nic ani dnes. S jedinou výhradou: Není úplné. Počátkem dvacátého století se o slovo přihlásilo ještě čtvrté skupenství - plazma.
Na Zemi se plazma vyskytuje jen vzácně, ačkoliv provází člověka od úsvitu jeho dějin. Objevuje se v podobě jakýchsi "mžikových ostrůvků" snad v každém plameni. Soustavně se však plazmatem začali vědci zabývat až ve dvacátých létech tohoto století. Zároveň se ukázalo, že plazma není nějakým mimořádným, ale základním stavem hmoty; že devadesát procent látky ve vesmíru je v plazmatické formě. A odtud byl již jen krok k tomu, aby se fyzika plazmatu stala svébytným oborem zasahujícím široké spektrum činnosti od základního a teoretického bádání přes aplikovaný výzkum a užití jeho výsledků v lékařství, strojírenství, optice, automobilovém průmyslu, chemii a v dalších oborech.

Iontový oblak

Plazma je ve své podstatě směs elektricky nabitých a elektricky neutrálních částic, jejichž chování je určováno elektromagnetickými poli vybuzenými pohybem těchto částic. Svým charakterem se tedy do jisté míry podobá plynu - jde vlastně o jakýsi oblak částic - ale na rozdíl od plynu, který je elektricky neutrální a jehož složky na sebe řádově působí na vzdálenost atomů, interagují částice plazmatu na vzdálenost tisíce i více atomových průměrů.
K tomu, aby se z plazmatu stalo stabilní skupenství, chemické hoření nestačí. Teplota ani toho nejžhavějšího plamene nepřesáhne 4500 řC, přičemž většinou bývá podstatně nižší. A to je pro uchování plazmatu málo. V elektrickém oblouku přesahuje teplota 10 000 řC a v blescích se už pohybuje v miliónech řC. Jenže to všechno je ve vztahu k plazmatu, které má původ v jaderné fúzi, pouhá "rozcvička". K jeho vytvoření jsou nutné teploty ještě vyšší. A právě na studium tohoto plazmatu se soustřeďuje největší pozornost.

Hledání zdrojů

Pokud se podaří vyřešit problémy spojené s termojadernou fúzí, získá lidstvo prakticky nevyčerpatelný zdroj energie. A po pravdě řečeno, řešení této otázky se už nedá příliš dlouho odkládat. Podle údajů OSN obývá dnes naši planetu asi 5,75 miliardy obyvatel. Současné prognózy uvádějí, že někdy okolo poloviny příštího století by měl jejich počet stoupnout na dvojnásobek. Průměrná roční spotřeba primární energie na jednoho obyvatele činí v průmyslových zemích 5,1 toe (tun ropného ekvivalentu) a současná světová roční spotřeba primární energie, která se pohybuje na pomezí 10 miliard toe, by za tohoto vývoje měla v polovině příštího století stoupnout na trojnásobek - tedy na 30 miliard toe.
Otázka zdrojů se za těchto okolností začíná silně podobat Damoklovu meči. Zásoby klasických fosilních paliv jsou omezené a rychle se ztenčují. I když se dá předpokládat, že existují ještě neobjevená ložiska, vystupuje stále důrazněji do popředí otázka nákladů spojených s jejich objevením, otevřením a využíváním. Alternativní energetické zdroje nestačí pokrýt ani přírůstky potřeby a jaderná energie v dnešní podobě vzbuzuje - nikoliv zcela neoprávněně - fobii. Nehledě na to, že i zásoby uranu jsou konečné.
Výroba energie založená na slučování lehkých jader tak představuje řešení, které všechny tyto problémy odstraňuje vlastně jednou provždy.

Fúze místo štěpení

Fúze je proces, při němž se ionty lehkého prvku - kupř. izotopů vodíku -
spojí a vytvoří jiný, těžší prvek. V tomto případě hélium. Tím se uvolní energie ve výši 17,6 MeV, což je hodnota vysoko přesahující energii získanou štěpením uranu. V pozemských podmínkách představuje nejjednodušší cestu ke vzniku hélia sloučení dvou izotopů vodíku - deuteria a tritia. Deuterium se nachází ve vodě, zdrojem tritia je lithium. Základním palivem fúzního reaktoru je tedy obyčejná voda. Mimochodem - deuterium v jenom litru vody má stejný energetický potenciál, jakého se dosáhne spálením 300 l benzínu. Anebo ještě jinak: Máchovo jezero by stačilo pokrýt veškeré energetické potřeby této republiky po celé příští století.
Termojaderná fúze jako zdroj energie má přitom řadu předností. Proti tepelným neznečišťují elektrárny založené na tomto principu atmosféru škodlivými emisemi. Palivo je snadno dostupné a ve srovnání s ostatními zdroji i laciné. Reaktory jsou bezpečné, protože na rozdíl od štěpné se slučovací jaderná reakce nemůže vymknout kontrole; stačí přerušit dodávku iontů a ustane sama. I zde je pochopitelně nutné počítat s radioaktivním odpadem, jenže poločas rozpadu těchto prvků se pohybuje v rozpětí několika desítek let. Při vhodné volbě materiálů je zde navíc i možnost recyklace.

Dvě cesty

Slučování lehkých jader probíhá přirozeně v nitru hvězd a je zdrojem jejich zářivé energie. V rovnovážném stavu udržuje reakci gravitace. K uskutečnění fúze na Zemi je třeba splnit dvě podmínky. Dosáhnout teploty vyšší než 100 miliónů řC a pro praktické využití také zajistit výkon uvolňovaný vlastní fúzí, který je několikanásobně vyšší než výkon potřebný k ohřevu paliva (tzv. Lawsonovo kritérium). K tomu podle současných znalostí vedou dvě metody
- fúze s magnetickým udržením, která se vyznačuje nízkou hustotou plazmatu stabilizovaného magnetickou pastí uvnitř komory reaktoru
- fúze s inerciálním udržením, kdy je malá kulička v pevném stavu stlačena asi na stonásobek hustoty vody a rychle zahřívána, takže v jejím středu začne probíhat fúze šířící se k okrajům. Jde vlastně o jakýsi mikrovýbuch.
Ke slovu přicházejí i lasery. V americkém projektu National Ignition Facility má dosáhnout energie v nanosekundovém pulsu hodnoty 2 megajoulů, což je v přepočtu vyšší okamžitý výkon, než jaký produkují všechny elektrárny světa.
Držitelem dvou světových rekordů je tokamak JET v anglickém Culhamu. Tento tokamak, dokončený před patnácti lety v rámci společného projektu zemí tehdejšího Evropského společenství, Švýcarska a Švédska, je dnes zřejmě největším a nejvýkonnějším zařízením svého druhu na světě. Letos se na něm podařilo dosáhnout zatím nejvyššího výkonu uvolněného fúzí. Jeho hodnota činila 65 procent čistého výkonu zaváděného do plazmatu z vnějších zdrojů. Druhým rekordem je výše uvolnění fúzní energie, která dosáhla 16,1 MW, přičemž doba kvazistacionární fáze výboje trvala 3,5 sec. a mohla být prodloužena. Tokamak JET se tak stal odrazovým můstkem pro mezinárodní projekt ITER, jehož cílem je výstavba první fúzní elektrárny, která by měla produkovat 1500 MW.

Naděje s otazníkem

Názornou představu o struktuře, podobě a způsobu řízení termojaderné fúze poskytl model tohoto rektoru vystavený na putovní výstavě Evropské komise uspořádané při příležitosti nedávného konání Mezinárodního kongresu fyziky plazmatu v Praze. Jakýkoliv model má však k realitě dost daleko.
"Praktické využití termojaderné fúze musí projít třemi fázemi," řekl doc. ing. Pavel Šunka, CSc., vedoucí oddělení impulsních plazmových systémů Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. "Především je to proveditelnost procesu, předložení jednoznačného důkazu, že to funguje. To se již svým způsobem podařilo. Dále je nutné ukázat, že umíme celý princip zvládnout po technologické a technické stránce. A konečně třetím bodem je konkurenceschopnost, doklad, že tento způsob výroby energie je cenově srovnatelný s danými zdroji. Někteří experti říkají, že devadesát procent fyzikálních problémů je už vyřešených. Může se ale ukázat - a to se rozhodně nedá vyloučit -, že těch zbývajících deset procent bude složitějších než předchozích devadesát. Od sedmdesátých let, kdy se výzkum termojaderné fúze rozběhl naplno, se změnilo jediné. Neustále se zvětšují zařízení, na nichž fúze probíhá. To souvisí se snahou o dosažení potřebných teplot a magnetických polí. Úměrně s tím rostou požadavky na financování. Nové projekty se pohybují ve stovkách miliónů a miliardách USD. A i ty nejbohatší státy jako USA v posledních létech tyto zdroje výrazně omezují. Termojaderná fúze zatím zůstává potenciálním energetickým zdrojem, nadějí a odkazem pro příští tisíciletí."

Plazma v praxi

Fyzika plazmatu se ovšem neomezuje pouze na problematiku termojaderné fúze. To dokládají i výsledky výzkumu prováděného v ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Ten byl založen před čtyřmi desítkami let a za dobu své existence si vybudoval dobrou mezinárodní pověst. Patří také mezi tři, možná čtyři desítky vědeckých pracovišť na světě, kde se koná fúzní výzkum.
Zdejší tokamak Castor, instalovaný v roce 1977, je ovšem typicky laboratorní zařízení, které se s možnostmi anglického JET nedá srovnávat. Proto se bádání v oblasti vysokoteplotního plazmatu soustředilo na dva směry: na otázky interakcí vysokofrekvenčních vln s plazmatem a na problematiku interakcí elektronových svazků s plazmatem. Zkoumají se procesy, které se odehrávají na rozhraní plazmatu a stěn reaktoru, kde dochází ke složitým turbulencím, zkoumají se děje nastávající při zavádění energetických vln do plazmy. Tyto teoretické výzkumy slouží k získání nových poznatků o možnostech vytvoření a udržení stacionární fáze plazmatu, ale přinesly i zcela konkrétní a praktický efekt. Umožnily vytvořit plazma elektrického oblouku, stabilizované vodní stěnou.
To je světový patent, a systém fungující na tomto principu se užívá k plazmovému stříkání a nanášení vrstev se speciálními vlastnostmi na povrch kovů, keramiky či plastů.
Mimochodem - toto zařízení se prodalo do USA. Pokud se osvědčí - všechno zatím nasvědčuje tomu, že ano -, je reálná naděje na další objednávky. A dostat se na americký trh v tomto oboru již o něčem vypovídá.
Jiným, v lékařské praxi užívaným zařízením, které má svůj původ v tomto ústavu a jehož autorem je Pavel Šunka, se stal generátor rázových vln, který slouží k odstraňování ledvinových kamenů.

Měření úspěchu

Těžiště činnosti Ústavu fyziky plazmatu jako pracoviště Akademie věd však spočívá v teoretickém bádání. I zde se potýkají s různými problémy, mezi něž patří nedostatek mladých badatelů a problém financování. K aktuálním otázkám třeba patří zajištění finančních zdrojů pro vybudování objektu a příslušného zázemí pro instalaci vysoce výkonného laseru Asterix, který ústav získal od německého Institutu Maxe Plancka. Moderní věda zkrátka stojí spoustu peněz. To na jedné straně vyžaduje propracovanou a v rámci možností svým způsobem velkorysou koncepci vědecké politiky podporované státem, ale i něco navíc.
"Základní výzkum se neobejde bez dotací a vnějších finančních zdrojů nikde na světě," řekl Pavel Šunka. "Na druhé straně je však i nutné zamyslet se nad posuzováním úspěšnosti takovýchto vědeckých pracovišť. Současné hodnocení zaměřené na počty publikovaných zpráv ve vědeckých časopisech už v dnešní době asi nestačí. Podle mého názoru by každé takovéto pracoviště mělo jednou za pět deset let přijít také se zcela konkrétním a prakticky využitelným objevem. A to proto, že si tak nejen vydělá část prostředků na svou existenci, ale hlavně proto, že současná věda už není a nemůže být pouze hájemstvím uzavřeným ve slonovinové věži."
Petr Rampír