Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 47 (vyšlo 14. listopadu, ročník 6 (2008)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Laser HiPER – další způsob, jak získat fúzní energii

David Břeň

HiPER (High Power laser Energy Research) je navrhovaný evropský výzkum využití velmi výkonného laseru, zejména v oblasti laserem udržované fúze jako budoucího zdroje energie. HiPER je navržený k tomu, aby rozšířil pole vědy dalšími mnoha směry včetně studií extrémních materiálů, astrofyziky v laboratoři, miniaturizace urychlovačů částic a širokého okruhu základního výzkumu fyziky.

LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.

Fúze – způsob získávání energie slučováním lehkých atomárních jader. Tento proces probíhá přirozenou cestou ve hvězdách. V pozemských podmínkách je základním problémem udržení plazmatu na potřebnou dobu. Může jít o tzv. inerciální fúzi (například iniciovanou laserem), kdy terčík na krátkou dobu drží pohromadě setrvačností nebo o fúzi udržovanou v magnetickém poli (tokamak, stelarátor, pinč).

Štěpení – způsob získávání energie štěpením těžkých atomových jader. Je základem současných atomových elektráren, ve kterých jsou jádra štěpena nalétávajícími neutrony. Produktem rozpadu jsou další neutrony, které štěpí další jádra (dojde k tzv. řetězové reakci). První štěpný reaktor postavil Enrico Fermi v roce 1942 v Chicagu.

Fúzní energie je velice atraktivní, je to čistý zdroj energie používající jako zdroj paliva pouze vodík. Při tomto procesu nevytváří žádné skleníkové plyny ani radioaktivní odpad s dlouhou dobou života. První výsledky experimentů na nyní stavěném superlaseru NIF (Nation Ignition Facility) v Kalifornii jsou očekávány mezi lety 2010 a 2012. V té samé době by se mělo začít stavět zařízení HiPER. Primární laserové svazky budou generovány komerčními pevnolátkovými laseryLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. s účinností v desítkách procent. V porovnáni s NIFem by tak mělo dosáhnout mnohem vyšší opakovací frekvence a celkové efektivity. V současnosti je nejdůležitější posunout se od vědeckých experimentů k výrobě komerčního reaktoru. HiPER snad poskytne další důležitý krok na této cestě.

HiPER

Experimentální zařízení HiPER by mělo být dostavěno ke konci příštího desetiletí.

HiPER je čerstvě zahájený evropský projekt. Měl by pomoci k výrobě čisté energie za použití ohromných laserůLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. velikosti fotbalového stadionu. Laserové zařízení by mělo získávat energii tím, že silně zkoncentruje atomy vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish.. Je to proces velmi podobný tomu, který probíhá ve SlunciSlunce – 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.. V Evropě již probíhá jiný fúzní experiment, ITERITER – International Thermonuclear Experimental Reactor, Mezinárodní termojaderný pokusný reaktor. Předpokládaný výkon reaktoru je 500 MW, stavba probíhá v blízkosti francouzského hradu Cadarache. Reaktor bude mít průměr 6 metrů. Tento dosud největší tokamak ITER by měl být uveden do provozu kolem roku 2025. Předpokládá se, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou první skutečné termojaderné elektrárny., který se ke stejnému cíli snaží dostat cestou magnetické komprese izotopůIzotopy – jádra se stejným počtem protonů, ale různým počtem neutronů. Všechny izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se však od sebe svými fyzikálními vlastnostmi, například poločasem rozpadu, hmotností atd. vodíku.

Fúze

Základní princip termojaderné fúze

Výzva k realizaci řízené fúzní energie je značná a řešení uniká vědcům a technikům již přes 50 let. Experiment HiPER byl zahájen na podnět Evropské komise a spolupráce zahrne až dvacet šest institucí z deseti zemí. Klíčovými hráči jsou ale Velká Británie, Česká republika a Francie. Princip experimentu HiPER spočívá v tom, že vysoce výkonný laserový puls nejprve stlačí malé množství těžkého vodíku, tzv. „pelety“ na hustotu až třicetkrát vyšší, než je hustota olovaOlovo – Plumbum, těžký toxický kov, který je znám lidstvu již od starověku. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Je součástí barviva – olovnaté běloby, žlutý chroman olovnatý je známý jako chromová žluť. Zvyšuje oktanové číslo paliva. Velmi čistý PbS je citlivým detektorem infračerveného záření a využívá se při výrobě fotografických expozimetrů a fotočlánků., a dalším pulsem laseru zvýší teplotu stlačené pelety až na 100 milionů stupňů Celsia. Za těchto podmínek by již měla probíhat fúze vodíku na heliumHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi. a podle teorie by mělo být možné již z tohoto malého množství látky získat ohromné množství energie. Jeden z vedoucích pracovníků projektu, prof. Dunne, připodobňuje tento princip ke spalovacímu motoru, kde je nejprve před expanzí vstřikované palivo stlačeno válci, podobně jako zde bude palivo, tj. těžký vodíkDeuterium – 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., stlačeno velmi výkonným laserem. Jako „svíčka“ k zapálení směsi zde bude sloužit další vysoce výkonný a velmi krátký laserový puls. Po využití vzniklé energie se celý proces zopakuje znovu a znovu, stejně jako v motoru auta.

Laserem řízená fúze

Princip laserem řízené fúze.

Přímým předchůdcem HiPERu je laser PETAL (PETawatt Aquitaine Laser) postavený v jihozápadním francouzském regionu Akvitánii. Slovo petal znamená v angličtině okvětní lístek. První důkazy, že je tato cesta využitelná, se očekávají již během nejbližších několika let na dvou ohromných laserových zařízeních, které jsou nyní téměř před dokončením. Superlaser NIF (Nation Ignition Facility) se staví v Kalifornii a bude dokončen v roce 2009. Dalším zařízením je obří Laser Megajoule ve francouzském Bordeaux. Řada zúčastněných vědců doufá, že již na těchto laserových zařízeních by mohly být realizovány dílčí experimenty jako články řetězce, na jehož konci bude reakce, z níž bude značný zisk čisté fúzní energie. Úloha HiPERu bude v samotné technické realizaci pospojování těchto jednotlivých dílčích poznatků do očekávaného nepřetržitého cyklu, který povede ke komerčnímu využití fúzní energie.

Na začátku října letošního roku byly podepsány oficiální dokumenty umožňující financování a tedy faktický start prvních přípravných fází projektu HiPER. Pokud vše půjde dobře, bude vzápětí následovat další fáze, která povede k sestavení samotného prototypu. Časování není nepodobné s plány fúzního zařízení ITERITER – International Thermonuclear Experimental Reactor, Mezinárodní termojaderný pokusný reaktor. Předpokládaný výkon reaktoru je 500 MW, stavba probíhá v blízkosti francouzského hradu Cadarache. Reaktor bude mít průměr 6 metrů. Tento dosud největší tokamak ITER by měl být uveden do provozu kolem roku 2025. Předpokládá se, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou první skutečné termojaderné elektrárny. v Cadarache ve Francii. Všichni zúčastnění, ale i široká veřejnost, očekávají alespoň od jednoho z těchto zařízení konkrétnější odpovědi na otázky týkající se komerčního využití fúzní energie, tohoto Svatého grálu energetických zdrojů.

Klip týdne: Evropský laser HiPER

HiPER (Wmv, 64 MB)

Evropský laser HiPER. Jde o projekt obří soustavy laserů o velikosti fotbalového stadionu, které stlačí pelet deuteria a uskuteční termojadernou fúzi. Název je zkratkou z anglického High Power laser Energy Research. V tomto nadnárodním projektu se angažuje 25 vědeckých ústavů z 11 zemí, mimo jiné z Velké Británie, Česká republiky a Francie. Přípravná fáze před vlastní stavbou by měla probíhat do roku 2011. Předchůdci Hiperu jsou obří lasery PETAL ve Francii a v tuto chvíli dokončované superlasery NIF v Kalifornii a Laser Magajoule ve francouzském Bordeaux. Ve třináctiminutovém klipu se seznámíte s těmito obřími zařízeními a špičkovou vědou, která bude provozována s jejich pomocí. (wmv, 64 MB)

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage