Zvětšit obrázek

Budova, ve které se nachází nejvýkonnější laserový systém – National Ignition Facility (NIF), zabírá plochu tří fotbalových hřišť. Kredit: NIF/ Lawrence Livermore National Laboratory

Internetové vydání časopisu Nature (Nature Express) přináší výsledky úspěšných testů, které prověřily jak je největší a zároveň i nejvýkonnější laserový systém připraven sehrát roli energetického zdroje pro kontrolovanou jadernou fúzi. Laserové centrum s oficiálním názvem National Ignition Facility (NIF, Národní zážehové zařízení) je součástí Národní Lawrencovy Laboratoře v Livermoru (Lawrence Livermore National Laboratory), jehož rozlehlý areál se nachází v kalifornském Livermoru, asi 60 km východně od San Franciska. Výstavba započala v roce 1997, trvala přes deset let a pohltila 3,5 miliard dolarů. Budova NIFu zabírá plochu tří fotbalových hřišť a tyčí se do výšky deseti podlaží. Maximálním výkonem by měl gigantický laser překonat svou dosavadní konkurenci až 60 násobně. Obrovské množství energie soustředěné do nepředstavitelně krátkého záblesku je nevyhnutné k tomu, aby se z jedné, asi dvoumilimetrové kuličky naplněné vodíkem stala na krátký okamžik minihvězda, zářící díky syntéze jader vodíku na jádra helia.

Zvětšit obrázek

Fúzní reakce – jádro deuteria a jádro tritia se sloučí v jádro helia.

 

Jak vzniká nejenergetičtější laserový záblesk

V srdci obrovského zařízení se nachází zdroj primárního světla – laser na bázi optického vlákna obohaceného yterbiem. Jeho pulzem je nízkoenergetický infračervený paprsek s vlnovou délkou 1053 nanometrů a energií 750 pikojoulů (biliontin joulu). Na konci 1,5 kilometru dlouhé tratě, kterou jeho světlo proletí, se z něho stane 192 samostatných laserových ultrafialových paprsků s vlnovou délkou 351 nm, které na miniaturní cíl zaútočí s energií 1,8 milionu joulů. A to vše proběhne v přibližně pěti miliontinách sekundy.

Než se tak ale stane, prvotní infračervený paprsek se rozdělí nejdřív ve dva, zesílí a pak opět rozdělí na 2 x 24 = 48 rovnoběžných paprsků. Jejich energie se v předzesilovačích znásobí dvacet milionkrát. Pak se každý paprsek opět dvakrát rozdělí na čtyři, takže do hlavního zesilovacího obvodu přichází 4 x 48 = 192 rovnoběžných paprsků, které jím proletí 4x, přičemž se vždy mění i jejich třímilimetrový kruhový profil na čtvercový (18 x 18 mm). To zajišťuje prostorovou homogenitu a eliminuje nepravidelnosti v distribuci energie v profilu paprsku po jeho přechodech přes zesilovače.

Zvětšit obrázek

Znázornění laserových paprsků, které dopadají na vnitřní stěny „hohlraumu“ a prudce je zahřejí. Vyvolá to emisi intenzivního rentgenového záření, které působí na centrální kuličku s vodíkovým palivem. Stlačí ji a zároveň ohřeje. Extrémní podmínky „zažehnou“ fúzní reakci. Kredit: NIF/ Lawrence Livermore National Laboratory

Když NIF poběží na maximum, energie primárního pulzu vzroste v zesilovacích obvodech biliard krát (10¹⁵) a celkový okamžitý výkon všech 192 laserových paprsků by měl dosáhnout až 500 TW (terawattů). Na závěr dochází v speciální optické soustavě ke zkrácení vlnové délky z infračervených 1 053 nm na ultrafialových 351 nm a následně se předtím rovnoběžné paprsky rozdělí do dvou skupin po 96. Soustava nastavitelných zrcadel je pak odkloní a z různých uhlů nasměruje do kruhové cílové fúzní komory s průměrem 10m.

V jejím centru je s přesností na mikrometr umístěný malý, jako guma na tužce velký zlatý dutý váleček, který se nazývá „hohlraum“(v němčině „dutina“). Uprostřed něho je upevněn hlavní cíl – malá, asi dvoumilimetrová dutá kulička, vyplněná 150 mikrogramy hluboce podchlazené směsi těžkých isotopů vodíku – deuteria a tritia.

Zvětšit obrázek

Drobný cíl pro 192 paprsků největšího laserověho systému: Zlatý váleček "hohlraum" a malá cílová kulička s vodíkovým palivem

Obrovská energie 1,8 MJ soustředěna v extrémně krátkých laserových paprscích rázem zasáhne zlatý váleček zevnitř (obrázek), jeho stěny se v okamžiku prudce ohřejí a emitují měkké rentgenové záření o teplotě 3,3 milionů Kelvinů. To způsobí okamžité odpaření větší části povrchu palivové kuličky a zhroucení jejího zbytku spolu s vodíkovým palivem „do sebe“ - implozi. Tlak a teplota stoupnou na hodnoty, jaké panují v jádrech aktivních hvězd a při sto milionech stupňů Celsia a hustotě 20krát vyšší než má olovo, dochází během 20 miliardtin sekundy k fúzi - ke slučování vodíkových jader na helium. V mžiku se uvolní obrovské množství energie, které zažehne fúzi i v okolním zbytku vodíkového paliva. I když na vyvolání reakce je nevyhnutné obrovské množství energie, ona samotná jí uvolní mnohonásobně (10 až 100 krát) více.

Zatím je to jenom teoretický scénář. Tým NIFu se v dosavadních testech zabýval problémem, jak do „hohlraumu“ (zlatého válečku) soustředit energii laserových paprsků tak, aby na kulatou vodíkovou kapsli uprostřed působila symetricky - co nejrovnoměrněji ze všech stran a zapříčinila zcela symetrickou kompresi a implozi. Právě co nejhomogennější rozložení energie okolo drobné palivové nádrže je nesmírně důležité pro vyvolání fúzní reakce. Laser v testech běžel na 40 % svého výkonu (0,7 MJ) a cílová kulička také zatím nebyla naplněna palivem - směsí deuteria a tritia.

Zvětšit obrázek

Kulová cílová fúzní komora s průměrem 10m a hmotností 130 tun při instalaci v roce 1999. Cíl, do kterého se v jejím centru strefuje 192 vysoce energetických laserových paprsků, je velkosti zrnka pepře. Kredit: NIF/ Lawrence Livermore National Laboratory

Testy prý dopadly nad očekávání a tak se prvních pokusů naostro, u kterých by mělo dojít i k fúzi, dočkáme pravděpodobně již v tomto, nebo v příštím roce. Do provozu komerčně využitelného opakujícího se cyklu kontrolovaných fúzních reakcí (při kterých by se popsaný děj v intervalech opakoval několikrát do dne), ale zbývají ještě léta, ne li desetiletí.

Lépe se pochopí proces znázorněný vizuálně, než popsaný slovy.

Jak postavit největší laser – dvouminutový návod.

Zdroje:  NIF  1 , 2