Zvětšit obrázek

Přeměna laserových ultrafialových svazků uvnitř zlaté hohlraum na rentgenovské záření pomocí extrémního ohřátí jejího vnitřního povrchu v uměleckém zobrazení (zdroj NIF).

V současné době vyšlo ve vědeckých časopisech několik článků, které podrobně popisují dosažení a překonání důležitého předělu v cestě využívající inerciální udržení k zapálení fúzních reakcí v plazmatu. O tomto úspěchu, kterého bylo dosaženo na americkém zařízení NIF (National Ignition Facility), se psalo v minulém roce i na Oslovi. Po první informaci následoval detailnější popis. I zde se však popisovaly výsledky předchozích výstřelů laseru zařízení NIF, které předcházely průlomový experiment. Nyní vyšly tři články (zde, zde a zde), které se již podrobně věnují tomu klíčovému výstřelu realizovanému 8. srpna 2021.

Schéma Hohlraum a kapsule, laserové paprsky do ní vstupují odkrytými vstupními otvory na obrázku dole a nahoře (LEH). Modrou barvou je označena kulička paliva, světle šedá je ablační vrstva. Ta se během výstřelu dramaticky zvětší. Napravo je nahoře časový průběh celkového výkonu laserových svazků. Dole pak časový průběh radiační teploty uvnitř hohlraum v keV (jeden kiloelektronvolt je 11,6 milionů K). Označení výstřelu je NRRMMDD (Physical Review E 106, 025201 (2022).

Připomeňme si, že pro dosažení dostatečně intenzivního průběhu fúzních reakcí je potřeba zajistit vhodné podmínky. Těmi jsou dostatečně vysoké hodnoty tří klíčových fyzikálních veličin. Jde o teplotu, hustotu plazmatu a dobu jeho udržení. Dosažená teplota musí být dostatečná k tomu, aby byla pravděpodobnost fúzních reakcí dostatečně velká. Její hodnota se liší podle použité reakce a nejnižší je pro slučování deuteria a tritia. Zde se stačí přiblížit teplotě sto milionů stupňů. I proto se u prvních fúzních reaktorů předpokládá používání právě této reakce. Intenzita fúzních reakcí, a tím i velikost produkované energie, závisí na součinu hustoty plazmatu a doby jeho udržení. Případ takových podmínek, kdy se ve fúzních reakcích vyprodukuje stejné množství energie, jaké je potřeba pro ohřev plazmatu a udržení jeho teploty, se označuje jako vědecké vyrovnání. Za těchto podmínek je rychlost produkce energie ve fúzních reakcích dostatečně rychlá, aby kompenzovala energii unikající z horké zóny přestupem tepla a emisí záření.

Schéma hohlraum a různých kuliček s palivem použitých při experimentech v roce 2021 (Physical Review E 106, 025201 (2022)).

Existují dvě možnosti, jak potřebných podmínek dosáhnout. Jednou z nich jsou magnetické pasti, které udržují plazma s relativně nízkou hustotou, avšak po dlouhou dobu řádově v sekundách a více. V takovém případě mluvíme o magnetickém udržení plazmatu. Zařízením tohoto typu jsou známé tokamaky, jejichž největší exemplář ITER se buduje ve francouzském Cadarache. Druhou možností je extrémní stlačení hmoty a plazmatu, pak stačí doba udržení i řádově v nanosekundách. Ke stlačení na hustoty podobné hustotě olova se využívá symetrické ozáření paliva pomocí svazku záření, nejčastěji se zatím využívají intenzivní laserové svazky. Mluvíme pak o inerciálním udržení. Existuje i možnost, kdy se obě cesty kombinují a dosahuje se hustot vyšších, než je tomu v případě magnetického udržení, ale nižších než u inerciálního. Doby udržení pak nemusí být tak dlouhé, jako je tomu u magnetického udržení. Příkladem takového přístupu může být třeba magneticko-inerciální udržení, o které se pokoušejí některé start-upy. Pro zájemce je podrobnější popis cest k dosažení fúzních reakcí ve dřívějším podrobném přehledu.

Klíčové pro zlepšení parametrů vznikající horké zóny je homogenita a kvalita ablační vrstvy kuličky s palivem. Na horním obrázku je vidět, že počet u všech typů poruch (dírky v povrchu a bublinky uvnitř vrstvy i nečistoty) se podařilo u rekordního výstřelu oproti těm předchozím dramaticky snížit. Na dolním obrázku je na ose y zobrazen dosažený tlak v horké zóně a na ose x rychlost reakce na změny laserového svazku (Physical Review E 106, 025202 (2022).

Na zařízení NIF se jaderná fúze dosahuje právě pomocí inerciálního udržení, kdy se velmi malá kulička zmrzlé směsi deuteria a tritia extrémně stlačí s využitím laseru. K ozáření se využívá velmi výkonný neodymový laser s výkonem 0,5 PW realizovaný v čase v řádu nanosekundy, jehož svazek se rozdělí do 192 svazků. V případě popisovaných rekordních výsledků se stlačení paliva nedosahuje přímým ozářením paliva, ale zprostředkovaně. Kulička s palivem je umístěna do zlaté schránky s dutinou označované jako holraum (německy dutina). Její průměr při loňských experimentech byl 6,4 mm a délka pak 11,24 mm. Svazky laseru se otevřenými konci dutiny otvory s průměrem 3,64 mm přivedou do nitra schránky a ohřeji ji na extrémně vysoké teploty. Její vnitřní stěny začnou vyzařovat rentgenovské záření a v dutině tak vytvoří velmi izotropní a homogenní lázeň tohoto záření. Teprve ta stlačí a ohřeje kuličku s palivem a vytvoří příslušné plazma. Zajistí se tak odpovídající co nejhomogennější geometrie jejího stlačení a průběhu imploze. V tomto směru funguje zatím takové nepřímé ozáření mnohem lépe, než je možné dosáhnout přímým ozářením světlem laseru. Ani kulička s palivem není jednoduchá. Vnitřní část o průměru zhruba jednoho milimetru, která obsahuje zmrzlou směs deuteria a tritia, je uvnitř plastové ablační vrstvy. Zde se mohou využívat i další materiály a může mít i mnohovrstevnou strukturu. Interakce rentgenovské záření s ní pak vede k implozi paliva a vytvoření horkého a hustého plazmatu.

Emise rentgenovského záření ukazuje, jak se dramaticky zvýšila intenzita, koncentrace a symetrie energie ve vznikající horké zóně (Physical Review E 106, 025202 (2022).

A právě kvalita hohlraum a kuličky s palivem, zvláště její ablační vrstvy, je klíčová pro kvalitu mikroskopické termojaderné exploze. Právě její zlepšení umožnilo dosažení situace, kdy u horké plazmy začíná převažovat ohřev z fúzních reakci nad ohřevem inerciálním stlačením. Daří se zvětšovat velikost kuličky a ablační vrstvy i relativně k velikosti dutiny hohlraum. Dosáhlo se toho úpravou kapsule i hohlraum, u které se optimalizovala její konstrukce. Bylo tak možné snížení celkové energie potřebné k ohřátí stěn dutiny na potřebné velmi vysoké teploty a větší část využít pro stlačení a ohřev paliva. Pro rekordní výstřel se u ablační vrstvy podařilo také velice dramaticky snížit množství poruch a nečistot v ablační vrstvě (viz obrázek 4). Právě to bylo klíčem k tomuto zlomu v kvalitě výstřelu. K dalšímu zlepšení přispělo zvýšení stability svazků laserů a jejich izotropie.

Již v prvních měsících roku 2021 se díky popsaným vylepšením podařilo dosáhnout toho, že se při výstřelech ve fúzních reakcích uvolňovala energie až 0,17 MJ. I to byl velký úspěch, který znamenal kvalitativní průlom. Laserový svazek má sice celkovou energii při výstřelu 1,9 MJ, ale po ozáření hohlraum, konverzi na rentgenovské záření a interakcí s ablační vrstvou se ohřevu plazmatu implozí a vytvoření horké a husté oblasti plazmatu účastní pouze 0,01 až 0,02 MJ energie. Ve fúzních reakcích se tak vyprodukovalo až o řád více energie a okolo 20 % nesou nabité alfa částice, které mohou přímo ohřívat plazma. Zbytek odnáší neutrální neutrony pryč. Právě fúzní reakce umožnily dodatečný ohřev plazmatu a překročení teploty 100 milionů kelvinů. Při rekordním výstřelu se během fúze uvolnilo celkově 1,37 MJ, což je zhruba osmkrát více. Téměř se tak vyrovnala celková energie skrytá v laserovém svazku.

Zobrazení horké zóny pomocí vyzařovaného rentgenovského záření a neutronů. V závorce jsou uvedeny dva úhly definující polohu příslušných detektorů. Úplně napravo je rekordní srpnový výstřel, od něj nalevo jsou dva dřívější. Rozměr obrázku je vždy 100 na 100 mikrometrů. Je vidět, že horká zóna u rekordního výstřelu byla větší a symetričtější, než tomu bylo při těch předchozích. Dole je graf zobrazující průměr zóny a uvolněnou energii pro rekordní výstřel (napravo) a dva dřívější (nalevo) (Physical Review E 106, 025202 (2022).

Od zmíněného 8. srpna 2021 se realizovalo několik dalších výstřelů. I když byly ve velmi dobré kvalitě, tak rekordní parametry srpnového výstřelu se zopakovat zatím nepodařilo. Produkovaná fúzní energie byla „pouze“ 0,4 až 0,7 MJ, připomeňme, že srpnový rekord byl 1,37 MJ. Je to dáno tím, že parametry jednotlivých svazků se při každém výstřelu o trochu liší. Stejně také se drobně liší i použité hohlramum a kapsule s palivem. Větší počet experimentů, jejich porovnávání a zkoumání jejich parametrů umožní pochopit, co ovlivňuje kvalitu každého výstřelu.

Dosažené parametry horké zóny, které byly dosažený při různých výstřelech na NIF. Na ose y je součin její hustoty a poloměru a na ose x pak teplota v keV (jeden elektronvolt je 11,6 milionů K). Tři různé čáry ukazují hranici pro fúzního zapálení spočítané různými autory. Je jasně vidět, jak velkým kvalitativním skokem je srpnový výstřel. Ten je hluboko v oblasti dosažení zápalných parametrů (zdroj Physical Review Letters 129, 075001 (2022)).

Důležitým úkolem je dosáhnout toho, aby byly experimenty méně citlivé k náhodným drobným fluktuacím zmíněných parametrů svazku a terče. Mělo by se tak zajistit opakování rekordních parametrů, a v budoucnu i jejich zlepšení. I z tohoto důvodu je velmi důležitá detailní publikace všech parametrů a nuancí při realizaci výstřelů a jejich podrobná diskuze ve vědecké komunitě, kterou právě zmíněné články umožňují.

Extrémně důležitou se jeví být kvalita kapsule s palivem a hohlraum. Dosažení potřebné kvality ablační vrstvy je náročné. Produkce odpovídajícího terče je tak technologicky, a tím i finančně, náročná. Tím se dostáváme k tomu, proč je i v situaci, kdy se na zařízení NIF dosáhlo poměru mezi fúzním výkone a výkonem potřebným k ohřevu plazmatu přesahujícího řád, přesto kandidátem pro první funkční termojaderný reaktor a elektrárnu magnetické udržení a tokamak. U tokamaků se sice rekordní hodnota tohoto poměru teprve blíží k jedničce a u tokamaku ITER by měla být okolo desítky. Tokamaky však, na rozdíl od zařízení NIF, v principu už v současné době dokáží fungovat víceméně kontinuálně. Odhlížím od tepelného namáhání stěn tokamaku a jejich odolnosti proti velmi vysokým tokům neutronů. S těmito výzvami se však budou muset vypořádat i stěny nádoby pro inerciální udržení. Současná frekvence výstřelů na tomto zařízení je jeden za řadu dní. Reálný termojaderný reaktor tohoto typu by musel mít kadenci desítek výstřelů laseru za sekundu.

Vesmírné termojaderné motory na bázi inerciálního udržení by mohly být v budoucnu základem pro mezihvězdné lodě:

Video: Jaderné zdroje pro kolonizaci vesmíru