NIF
Laserové zařízení NIF v americké Kalifornii je největším zařízením na světě, ve kterém probíhá výzkum jaderné fúze s inerciálním udržením paliva. Zařízení disponuje 192 lasery o celkovém výkonu až 500 TW, které dokáží do palivového terče dopravit více než 2 MJ energie. V roce 2021 bylo na zařízení dosaženo významného úspěchu, když se při experimentu N210808 podařilo uvolnit 1,3 MJ fúzní energie. O rok později v prosinci 2022 následoval rekordní experiment N221204, při kterém se podařilo uvolnit 3,15 MJ fúzní energie, což bylo více než množství energie dopravené do palivového terče a poprvé v historii tak bylo splněno Lawsonovo kritérium vědeckého vyrovnání.
Při experimentu N221204 byla palivová kapsle ve tvaru kuličky o průměru 2,1 mm a hmotnosti 4,25 mg umístěna do tzv. hohlraumu, malé komůrky o průměru 6,4 mm a výšce 11,24 mm vyrobené z ochuzeného uranu a uvnitř pokryté tenkou vrstvou zlata. Palivová kapsle byla v hohlraumu zavěšena pomocí dvou polymerových formvarových membrán o tloušťce 45 nm.
Terčem laserů byl hohlraum. Všech 192 ultrafialových laserových paprsků o vlnové délce 351 nm bylo nasměrováno na vnitřní povrch hohlraumu. Lasery byly do hohlraumu nasměrovány ve čtyřech laserových kuželech v úhlech 23°, 30°, 44° a 50° vzhledem k jeho svislé ose. Při výstřelu lasery předaly hohlraumu energii 2,05 MJ s výkonem 440 TW. Při ozáření zlatá vrstva emitovala intenzivní rentgenové záření, které vyplnilo vnitřek hohlraumu dříve, než se uranový hohlraum vypařil. Rentgenové záření šokově s vysokou homogenitou ohřálo a odpařilo vrchní, ablační, vrstvu palivové kapsle.
Ablační vrstva o tloušťce 86 μm byla vyrobena z nanokrystalického diamantu o vysoké hustotě HDC (High Density Carbon). V blízkosti vnitřního povrchu byla vrstva dopována wolframem bránícím předčasnému ohřátí paliva uvnitř kapsle, které by bránilo stlačení paliva. Pod ablační vrstvou byla vrstva zmraženého DT paliva o tloušťce 64,5 μm a vnitřek kuličky byl vyplněn plynným DT palivem. Hmotnost paliva byla 220 μg. Při rentgenovém záblesku došlo k odpaření většiny ablační vrstvy a její zbytky stlačily palivo rychlostí 380-400 km/s na přibližně 2000 krát vyšší hustotu. Tlak v palivu při stlačování překročil 600 miliard atmosfér. Časově proměnný výkon každého z laserů přitom umožnil optimalizovat kompresi paliva a symetrii imploze.
Kompresí se palivo ohřálo na teplotu 50 - 70 milionů °C. Vysoká hustota a teplota odstartovaly fúzní reakci, která následně ohřála palivo až na 150 milionů °C. Při fúzní reakci se spotřebovalo 4,3 % paliva, což bylo trojnásobné množství oproti přechozímu experimentu N210808. Elektrická účinnost laserů byla menší než 1 % a lasery při experimentu spotřebovaly 322 MJ energie.
Při popsaném experimentu N221204 bylo dosaženo uvolnění fúzní energie 3,15 MJ při energii dopravené do terče 2,05 MJ. Zařízení NIF tak dosáhlo zesílení ve výši 1,5. V roce 2023 vědci pokračovali v experimentech s optimalizovanými lasery a terči a výsledek se podařilo nejen zopakovat, ale i překonat. V červenci 2023 se při výstřelu N230730 uvolnilo rekordních 3,88 MJ při energii dopravené do terče 2,05 MJ. V říjnu pak bylo ověřeno, že nižší energie dopravená do terče 1,9 MJ také vede k překročení Lawsonovo kritéria díky optimalizovanému terči, i když s menším výtěžkem energie 2,4 MJ. K závěru října se pak podařilo dále zdokonalit optickou soustavu laserů a zvýšit energii dopravenou do terče na 2,2 MJ, přičemž se uvolnilo 3,4 MJ fúzní energie. Experimenty potvrdily zásadní důležitost vysokého výkonu laserů a současně vysoce sofistikované konstrukce hohlraumu a ablační vrstvy palivové kapsle.
 Uvolněná fúzní energie při experimentech NIF. Kredit LLNL.
|
Čtyři úspěšné experimenty NIF. Kredit LLNL.
|
JET
Souběžně s výzkumem na laserovém zařízení NIF probíhal intenzivní výzkum na tokamaku JET (Joint European Torus) s magnetickým udržením paliva. Tokamak JET je evropský tokamak postavený v britském Culhamu nedaleko Oxfordu. Po celou dobu svého provozu byl JET největším fúzním reaktorem na světě. V únoru tohoto roku JET po 40 letech ukončil provoz.
V rámci rozsáhlých výzkumných aktivit na tokamaku JET proběhly tři výzkumné kampaně s vysokým fúzním výkonem, kampaň DTE1 v roce 1997, DTE2 v roce 2021 a DTE3 v roce 2023. V roce 1997 JET dosáhl fúzního výkonu o velikosti 16 MW, v roce 2021 dokázal uvolnit 59 MJ fúzní energie a v roce 2023 uvolnil při experimentu 104522 nejvíce fúzní energie ze všech zařízení na světě 69 MJ.
Rekordní experiment 104522 měl za hlavní cíl optimalizaci provozního scénáře při vysokém fúzním výkonu. Díky účinné stabilizaci plazmatu se při experimentu podařilo uvolnit rekordní množství fúzní energie.
V reaktoru bylo vytvořeno divertorované toroidální plazma ve tvaru D o malém průměru 1,8 m při průměru prstence 6 m a objemu přibližně 90 m3. Plasma bylo udržováno v ose reaktorové komory helikálním magnetickým polem o velikosti 3,85 T. Palivo tvořily ionty deuteria a tritia v poměru 2:8 o hustotě přibližně 9×1019 částic/m3. Nezvyklý poměr izotopů paliva a aplikace deuteriových ohřevových svazků umožnil maximálně využít reakční potenciál urychlených iontů deuteria s nadtepelnou rychlostí v procesu beam-target fúzních reakcí. Za určitých okolností, především v současných nedostatečně velkých reaktorech, může být tento postup výhodnější než palivový mix 1:1 udržovaný při vyšší teplotě, kdy jaderná fúze probíhá především na základě termálního rozdělení iontů plazmatu.
Po vytvoření bylo plazma ohříváno elektrickým proudem o velikosti 2,5 MA, svazky urychlených neutrálních atomů deuteria o energii 130 keV a výkonu 30 MW a elektromagnetickými vlnami na iontové cyklotronové rezonanční frekvenci deuteria 25 MHz o výkonu 5 MW. Sekundu po spuštění reaktor dosáhl provozní elektronové teploty plazmatu 10 keV a fúzní výkon překročil 12 MW. Reaktor pak 5 sekund udržoval fúzní výkon mezi 14 a 11 MW. Průměrné zesílení reaktoru bylo 0,36. Neutronový tok se pohyboval od 4×1018 do 5×1018 n/s.
##seznam_reklama##
Konstrukce reaktoru byla před horkým plazmatem chráněna první stěnou vyrobenou z beryllia, divertorové terče, na které kontinuálně dopadá plazma, byly wolframové. Fúzní reakce spotřebovala 0,2 mg DT paliva. Po dobu experimentu reaktor kontinuálně uvolňoval fúzní energii o vysokém výkonu a jeho tepelný výkon se pohyboval okolo 48 MW.
Reaktor JET s úspěchem zopakoval a zdokonalil experimenty s vysokým fúzním výkonem z předchozí kampaně v roce 2021. Za celou kampaň JET uvolnil více než 500 MJ fúzní energie. Tím prokázal spolehlivost a vyspělost operačních scénářů a provozních metodik tokamaků. Vyzkoušené operační scénáře budou hlavním podkladem pro sestavení operačních scénářů a úspěšný provoz reaktoru ITER a evropského prototypu fúzní elektrárny DEMO.
 Uvolněný fúzní výkon a energie při experimentech JET. Kredit EUROfusion.
|
 Snímky vnitřku reaktoru JET v průběhu experimentu 104522. Plazma je průhledné, záře v dolní části reaktoru ukazuje interakci plazmatu s divertorovými terči. Kredit EUROfusion.
|
Shrnutí
Dosažené rekordní výsledky znamenají významný průlom ve fúzním výzkumu a potvrzují, že fúzní výzkum magnetického i inerciálního udržení paliva směřuje správným směrem. V současnosti dále pokračuje výzkum fyziky plazmatu s cílem hlubšího porozumění fyzikálním procesům v horkém plazmatu a vývoj technologií fúzních zařízení.
Výzkum jaderné fúze s inerciálním udržením paliva je zatím ve fázi fyzikálního výzkumu, avšak výzkum jaderné fúze s magnetickým udržením paliva již řeší technologické otázky a je připraven pro transfer do energetiky. Zahájení výstavby prvních fúzních elektráren se očekává okolo roku 2040.
Video: Lawrence Livermore National Laboratory achieves fusion ignition
Další doporučená videa:
Další doporučená videa: