Reálný význam současného průlomu v termojaderné fúzi na zařízení NIF

V tomto týdnu se v řadě zdrojů psalo o průlomu v cestě k termojaderné elektrárně na americkém zařízení NIF. Zde se dosahuje podmínek pro fúzní termojaderné reakce extrémním stlačením paliva pomocí laserových svazků. Při současném úspěchu se podařilo ve fúzních reakcích získat více energie, než nesly laserové svazky využité k vytvoření extrémně horkého a hustého plazmatu. Podívejme se, jaký je reálný význam tohoto úspěchu.

Pohled na horní část terčové komory zařízení NIF (zdroj LLNL).

Celá řada článků v tisku a na internetu oslavovala překonání pomyslné hranice, při které se ve fúzních reakcích vytvořilo více energie, než měly laserové svazky amerického zařízení NIF (National Ignition Facility) v livermorské laboratoři. Laboratoř LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) se intenzivně zaměřuje na laserovou fyziku. To je i důvod, proč se právě zde vybudovalo klíčové zařízení pro studium inerciálního udržení plazmatu při cestě k řízené termojadernému reaktoru.

Připomeňme, že existují dvě odlišné metody dosažení podmínek pro termojadernou fúzi. Je potřeba dosáhnout odpovídající teploty a dostatečného součinu hustoty plazmatu a doby jeho udržení. Pro reakci deuteria a tritia je potřeba dosáhnout 150 milionů stupňů. Potřebnou hodnotu součinu hustoty plazmatu a doby jeho udržení lze dosáhnout dvěma způsoby. Prvním je magnetické udržení, kdy se dlouhou dobu v řádu desítek i stovek sekund udržuje plazma s nízkou hustotou. Druhým je inerciální udržení, kdy se na velmi krátkou dobu v řádu nanosekund dosahuje extrémně vysoká hustota plazmatu. Podrobný rozbor těchto možností a podmínek potřebných k dosažení termojaderné fúze lze najít v dřívějším článku.

Zařízení NIF dosahuje inerciálního udržení plazmatu pomoci laseru, jehož původní svazek se rozdělí do 192 svazků, které co nejsymetričtěji ozáří kuličku velikosti pepřového zrna se zmrzlou směsí deuteria a tritia. Je třeba zdůraznit, že velmi výkonné lasery musí energii potřebnou na daný výstřel, který trvá v řádu nanosekund, delší dobu shromažďovat. Energie vytvořeného laserového svazku je pak o dva řády menší, než je původně shromážděná energie. Laser NIF je petawattový s výkonem 0,5 PW. Jak bylo zmíněno, musí se pro symetrické ozáření kapsule s palivem svazek rozdělit na zmíněných 192 svazků a také se roztáhne více v čase.

V současné době se pro zlepšení symetrie ozáření kulička s deuteriem a tritiem umisťuje do zlaté schránky s dutinou označované německým výrazem hohlraum (dutina). Její rozměry jsou okolo centimetru. Svazky laseru zahřejí vnitřní stěny dutiny na extrémní teploty, takže vyzařují rentgenové záření. Uvnitř dutiny se tak vytvoří velmi homogenní lázeň tohoto záření. A teprve to pak stlačuje a ohřívá kuličku s palivem. Právě takový nepřímý způsob umožňuje co nejvíce izotropní průběh ohřevu. Prudkým ohřevem dochází k expanzi a explozi vnějších vrstev kuličky a na základě zákona akce a reakce k implozi těch vnitřních. Tím se ve vnitřních částech dosahuje extrémně vysoká hustota a teplota plazmatu. Jde vlastně o mikroskopickou termojadernou explozi.

Hohlraum obsahující kryogenní terč obsahující zmrzlé tritium a deuterium (zdroj LLNL).

Nejen zlatá hohlraum, ale i kulička obsahující palivo mají komplikovanou strukturu. Zvláště kvalita a složení ablační povrchové vrstvy je klíčová pro kvalitu daného výstřelu. Velmi intenzivně se tak pracuje na vylepšování hohlraum i kuličky s tritiem a deuteriem. První informace o tom, že se podařilo dramaticky zlepšit parametry vytvářeného plazmatu, se objevily v létě roku 2021, podrobné informace o tomto úspěchu však byly publikovány na konci roku 2021. Postupně se tak podařilo překonat některé z klíčových mezí při cestě k řízené termojaderné fúzi.

Připomeňme si, o kterých limitech se nejčastěji píše v odborných článcích. Vědecké vyrovnání označuje úroveň, kdy ve fúzních reakcích vzniká stejný výkon, jaký je potřeba k ohřevu plazmatu. Zápalné vyrovnání se dosáhne tím, že fúzní výkon absorbovaný v plazmatu vyrovná ztrátový výkon plazmatu. Inženýrským vyrovnáním se označuje vyrovnání hrubého výkonu fúzní elektrárny a vlastní spotřeby elektrárny.

Detailnější popis cesty k rekordnímu výstřelu 8. srpna 2021 byl spolu s podrobným rozborem tohoto výstřelu uveřejněn později. Je zde vidět, že se postupně daří dosahovat stále rovnoměrnější rozložení vysokých teplot a hustot potřebných k realizaci fúzních reakcí ve zvětšujícím se vnitřním objemu účastnícím se imploze. Při těchto výstřelech se podařilo i násobně překonat první zmíněné vyrovnání, a dokonce i to druhé.

Laserový ultrafialový svazek se nejdříve uvnitř hohlraum přemění na rentgenovské záření, které stlačí a ohřeje kuličku s palivem (zdroj LLNL).

Že nešlo o náhodný úspěch, ale o výsledek dlouhodobého kontinuálního intenzivního výzkumu ukazuje i to, že se 5. prosince 2022 podařilo dosáhnout dalšího rekordního výstřelu. V tomto případě se ve fúzních reakcích uvolnila energie 3,15 MJ, přičemž energie laserového ultrafialového svazku byla 2,05 MJ. Ve fúzních reakcích se tak vyprodukovalo více energie, než obsahoval laserový svazek dopadající do hohlraum. Připomeňme ještě, že konverze ultrafialového záření na rentgenové a ztráty z toho, že se část záření nestrefí do „pepřové“ kuličky, způsobí celkové ztráty až 99 % energie svazku laseru. Na ohřev a stlačení paliva se tak využilo pouze zhruba procento původní energie laserového svazku.

V předchozím rekordním výstřelu z 8. srpna 2021 měl svazek laseru energii 1,9 MJ a ve fúzních reakcích se uvolnila energie 1,37 MJ, tedy okolo 70 %. Nyní se konečně překročilo 100 %. Je to jistě obrovský pokrok. Zvláště když se zdá, že lze takto kvalitních výstřelů dosahovat standardně a jejich parametry se stále zlepšují. Velmi se těším na podrobnou publikaci o rekordním výstřelu a pokroku, kterého se podařilo dosáhnout.

Je však třeba připomenout, že jsme stále hodně daleko od inženýrského vyrovnání, bez jehož překonání se při cestě k termojaderné elektrárně neobejdeme. Vždyť jen pro vyrovnání energie, která je nutná pro uskutečnění výstřelu laseru s popsanými parametry potřebujeme, jak už bylo zmíněno, o dva řády vyšší produkci energie. Pokrýt musíme i další energetické potřeby případné elektrárny i ztráty při konverzi tepelné energie na elektrickou.

Stejně velkou výzvou je i zajištění vysoké frekvence výstřelů a jejich kontinuální dlouhodobou realizaci. V reálné elektrárně bude nutná frekvence výstřelů jednotkách až desítkách za sekundu. Pro současné zařízení NIF je možné realizovat jeden výstřel za den. Je tak vidět, že nás v této oblasti čeká ještě řada výzev a velmi dlouhá cesta.

K termojaderné elektrárně je i nadále blíže magnetické udržení a tokamaky. Zde je daleko menší poměr mezi energií potřebnou k realizaci výstřelu a ohřevu plazmatu a energií, která se v plazmatu reálně deponuje. Zároveň dokážeme dosáhnout daleko stabilnějšího a kontinuálnějšího provozu. I proto jsou vkládána taková očekávání do zařízení ITER. O dřívějších i současných výsledcích s fúzními experimenty na evropském tokamaku JET jsme psali v nedávném článku, v dřívějším jsou pak popsány i některé rekordy současných tokamaků.

Redakce si dovoluje připojit záznam nedávného vystoupení k energetické situaci a ruskému jadernému palivu:

Autor: Vladimír Wagner

Datum: 17.12.2022

Tisk článku

Související články:

Čerstvý rekord tokamaku EAST: plazma 70 milionů °C na 17 minut Autor: Stanislav Mihulka (06.01.2022)
Jak to bylo s nedávným zapálením inerciální fúze? Autor: Vladimír Wagner (30.01.2022)
Nové výsledky reálných fúzních experimentů na tokamaku JET Autor: Vladimír Wagner (09.02.2022)
Předběhla opravdu australská HB11 ostatní fúzní zařízení? Autor: Vladimír Wagner (04.04.2022)
Podrobné informace o dosažení inerciálního zapálení fúze v zařízení NIF Autor: Vladimír Wagner (26.08.2022)

Diskuze:

Tu som sa stratil

Radoslav Porizek,2022-12-19 21:28:01

"V tomto případě se ve fúzních reakcích uvolnila energie 3,15 MJ, přičemž energie laserového ultrafialového svazku byla 2,05 MJ. Ve fúzních reakcích se tak vyprodukovalo více energie, než obsahoval laserový svazek dopadající do hohlraum. Připomeňme ještě, že konverze ultrafialového záření na rentgenové a ztráty z toho, že se část záření nestrefí do „pepřové“ kuličky, způsobí celkové ztráty až 99 % energie svazku laseru. Na ohřev a stlačení paliva se tak využilo pouze zhruba procento původní energie laserového svazku."

Tu som sa stratil: Tych 2,05 MJ ma byt to 1% energie povodneho zvazku? Ale pise sa tam, ze je ultrafialovy, takze v nom este nie su zaratane straty koverze na rontgenove ziarenie. Nenasla by sa nejaka schema, kde by boli jednotlive straty pekne znazornene, spolu s tym, odkial presne zaciname ratat tych 2,05 MJ energie dodanej systemu?