Zlom v cestě k inerciální fúzi a budoucím mezihvězdným pohonům

Potvrdilo se, že se na zařízení NIF podařilo poprvé vyprodukovat pomocí inerciální fúze více energie, než byla laserem dodána palivu pro jeho ohřev. Jde o dramatický zlom v cestě k využití jaderné fúze. Není tím sice ohroženo prvenství tokamaku ITER v cestě k termojaderné elektrárně, ale ve vzdálenější budoucnosti by se tímto mohla otevřít cesta k termojadernému pohonu mezihvězdných kosmických lodí.

 První informace o tom, že se podařilo pomocí inerciální fúze dosáhnout větší produkce energie, než byla dodána pro její ohřev, se objevila již v létě. Ovšem v té době to bylo bez podrobností. Nyní zaslali vědci pracující na zařízení NIF (National Ignition Facility) v americké laboratoři LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) publikaci do vědeckého časopisu a zveřejnili podrobnosti okolo tohoto svého úspěchu. Jedná se opravdu o zlomový úspěch v oblasti inerciální fúze. A je třeba zdůraznit, že nečekaný. Zvláště poté, co předchozí vrcholná fáze experimentování na tomto zařízení nepřinesla úspěch a její závěry vedly v roce 2018 k tomu, že se nevědělo, jestli je dosažení takového cíle na tomto zařízení vůbec technicky možné.

Laserové zařízení NIF

Laserové zařízení NIF
Zdroj: LLNL

Inerciální dosažení termojaderné fúze

K tomu, aby se ve fúzních reakcích dosáhlo produkce energie překračující hodnotu energie dodanou pro ohřev plazmatu, případně energii potřebnou k zajištění chodu termojaderné elektrárny, musí být dosažena odpovídající teplota a také tzv. Lawsonovo kritérium. To říká, že součin hustoty plazmatu a doby jeho udržení musí překročit určitou hodnotu. Již z předchozího plyne, že existují různé druhy Lawsonova kritéria. Mluvíme tak o kritériu vědeckého vyrovnání a zapálení, které se týkají potřeby fyzikálního udržení fúze a o kritériu inženýrského vyrovnání, pokud se to týká vyrovnání energetických potřeb celé fúzní elektrárny.

Lawsonovo kritérium lze splnit dvěma různými způsoby. Prvním je dlouhé udržení plazmatu s nízkou hustotou. V tomto případě stačí k udržení magnetické pole a mluvíme pak o magnetickém udržení plazmatu. Příkladem fúzního reaktoru využívajícího magnetické udržení je i tokamak ITER, který se buduje ve francouzském Cadarache.

Druhou možností je vytvoření extrémně hustého plazmatu. V tomto případě stačí velmi krátká doba jeho udržení. Musíme tak najít způsob, jak plazma velmi silně stlačit. Vytvořené plazma se pak při zapálení okamžitě nerozletí vlivem setrvačnosti. Mluvíme tak o inerciálním udržení plazmatu. Čím větší hustoty se podaří dosáhnout, tím kratší může být doba udržení. Pokud se hustota dostane na hodnoty přesahující 1026 iontů/m3, doba udržení může být i o mnoho řádů kratší než mikrosekunda. Nejčastěji se pro takové stlačení využívají lasery. Obrovským problémem je docílení co nejsymetričtějšího izotropního ozáření laserovými paprsky a stlačení. Proto je vhodné využít jeden laser a jeho paprsek pak rozdělit na mnoho svazků. A právě takovým zařízením je NIF.

Uvnitř komory zařízení pro inerciální fúzi NIF

Uvnitř komory zařízení pro inerciální fúzi NIF
Zdroj: LLNL

Jde vlastně o termojaderné mikrovýbuchy. Ty probíhají v nádobě s poloměrem několika metrů. Aby její stěny vydržely nápor uvolněné energii, je hmotnost paliva, které se exploze účastní, omezena řádově na miligramy. Uvolněná energie je tak v řádu megajoulů.

Americké zařízení NIF v LLNL

Kritickým místem inerciálního udržení plazmatu je dosažení izotropního ozáření a stlačení kapsulky s palivem. A právě řešení tohoto problému je tou největší výzvou i pro fyziky a techniky na zařízení NIF. V jeho následujícím popisu využiji odpovídající část textu přehledového článku o současném stavu výzkumů v oblasti termojaderné fúze. Zařízení NIF je zatím nejpokročilejší v této oblasti. Využívá extrémně výkonný neodymový laser. Jeho svazek se rozdělí do 192 svazků a ty se pak využijí pro co nejrovnoměrnější ozáření kapsulky vyplněné směsí deuteria a tritia. Výkon laseru je 0,5 PW po dobu v řádu nanosekund. V takovém případě je potřeba dosáhnout hustoty přesahující 1029 iontů/m3.

Samotné stlačení paliva je poměrně komplikovaná záležitost. Kapsulka je baňka z umělé hmoty o velikosti zhruba zrnka pepře. Uvnitř ní je zmrazená směs deuteria a tritia. Laserový paprsek může dopadat přímo na kapsulku nebo na speciální zařízení, které se označuje jako hohlraum (německý dutina). Jde o válec za zlata, do kterého svazky laseru vstupují dvěma protilehlými otvory.

Komora zařízení NIF

Komora zařízení NIF
Zdroj: NIF LLNL

V případě využití hohlraumu se při dopadu extrémně intenzivního svazku laseru v ultrafialové oblasti vnitřní stěny dutiny ohřejí a vytvoří se nakonec tepelná rovnováha při velmi vysoké teplotě. Při dosažené teplotě pak dutina vyzařuje rentgenovské záření. To dopadá na plastovou baňku, která se vypaří a rozpíná. Zároveň se tím podle zákona akce a reakce vytvoří podmínky pro implozi paliva uvnitř plastové baňky a jeho extrémní stlačení a ohřátí. Rychlost implodujícího paliva může dosáhnout až několik tisíc km za sekundu. Získá se tak, sice na velmi krátkou dobu, extrémně husté plazma. Pokud by se podařilo vytvořit homogenní ozáření bez asymetrií, mělo by se dosáhnout teploty i přes 50 milionů kelvinů a hustoty plazmatu o dva řády větší, než je hustota olova. V horké tečce uprostřed se tak zapálí fúzní reakce a v nich produkované částice alfa ještě dodatečně ohřívají plazma. Ze středu se tak šíří ohnivá rázová vlna, která postupně zapálí všechno palivo.

Zařízení NIF bylo dokončeno a začalo pracovat v roce 2009. V té době byla zahájená první tříletá experimentální kampaň. Po zkušenostech z předchozích zařízení se nevyužívalo přímé ozařování, ale použil se hohlraum. Během kampaně probíhala neustálá snaha o zlepšování průběhu ozařování laserovým svazkem. Přesto se však nepodařilo podmínek pro zapálení termojaderné reakce dosáhnout. Zjistilo se, že existuje několik problémů a výzev, kterým je třeba čelit. Palivová kapsulka se nesmršťuje symetricky a nedosahuje se tvaru přesné koule. Ve vznikajícím plazmatu dochází při implozi k nestabilitám, které způsobují turbulenci hlavně na okraji. Dochází k míchání obalového materiálu do paliva a míchání různě teplých vrstev paliva způsobuje ochlazování vnitřních částí. Navíc materiál, který se uvolňuje ze stěny hohlraum, rozptyluje světlo vstupujících laserových paprsků, a tím způsobuje ztráty energie. Samotná konstrukce hohlraum je asymetrická a narušuje symetrie a izotropii ozáření kapsulky.

Kapsle se zmrzlým deuteriem a tritiem

Kapsle se zmrzlým deuteriem a tritiem
Zdroj: NIF, LLNL

Výsledky snah o zapálení fúzní reakce

Probíhá tak dlouhodobá práce a snaha o zapálení fúzní reakce v palivu uvnitř kapsulky. Mění se tvar a průběh laserového svazku. Nahrazuje se materiál kapsulky z plastu za diamant a zároveň konstrukce, hlavně pak tvar, hohlraumu. Postupné vylepšování vedlo k více než čtyřicetinásobnému zvýšení výtěžku fúze. Už v roce 2012 se podařilo dosáhnout výkonu laserů 500 TW a celkové energii laserového svazku téměř 2 MJ. Přesto se nepodařilo dospět do stádia, aby se ve fúzi uvolněná energie alespoň přiblížila k vyrovnání energii, která se spotřebovala na ohřev plazmatu. Do roku 2018 se dosáhlo poměru těchto energií pouze 0,1. Proto se začal uvažovat návrat k přímému ohřevu místo využívání hohlraumu. Tento směr se opustil kvůli problémům se symetrickým ozařováním. V tomto případě jsou nároky na kvalitu a homogenitu laserového svazku ještě větší. Mohla by však pomoci i práce s velikostí a konstrukcí kapsulky. Kritické je také její přesné umístění a celková geometrie celé sestavy. Je jasné, že zajistit přesné umístění objektu o velikosti zrnka pepře není vůbec jednoduché. Využívaly se k tomu velmi tenké drátky.

Daná etapa intenzivního experimentování byla v roce 2018 zakončena závěrem, že nelze říci, jestli se cíle překonání hodnoty produkce energie rovné energii investované do ohřevu zlepšováním podmínek a parametrů svazku a terčíku dá na tomto zařízení vůbec dosáhnout.

Dutina (Hohlraum) využívaná na zařízení NIF

Dutina (Hohlraum) využívaná na zařízení NIF
Zdroj: NIF LLNL

A právě nyní prezentované výsledky jasně ukazují, že toto zařízení na takovou metu dosáhne. Výstřel realizovaný 8. srpna 2021 vyprodukoval energii 1,3 MJ a tato hodnota byla vyšší, než byla energie absorbovaná kapičkou paliva během ohřevu. Tato energie byla osmkrát vyšší, než se dosáhla v experimentech z předchozích měsíců a pětadvacetkrát vyšší, než energie dosažená v roce 2018 v experimentech, o které se opíraly citované závěry. Jde opravdu o dramatický zlom, který ukázal, že i současné zařízení dokáže dosáhnout kritické meze. Zatím to bylo při jediném konkrétním výstřelu. Velmi důležité bude, zda se dosáhne standardní reprodukovatelnosti takového výsledku. Pokud ano, jednalo by se opravdu o klíčový průlom.

Závěr

Zařízení NIF je pouze experimentální zařízení. Umožňuje realizovat pouze jeden výstřel laseru za den. V reálné termojaderné elektrárně by to muselo být zhruba deset výstřelů za sekundu. Ukazuje se, že jsme schopni docílit situace, kdy se ve fúzních reakcích vyprodukuje více energie, než se pohltí v palivové kapsuly. Samotná energie laserového paprsku však byla 1,9 MJ, tedy vyšší, než bylo 1,3 MJ vyprodukovaných fúzními reakcemi. Ovšem jen pětina této energie se při výstřelu předává kuličce s palivem. Termojaderná elektrárna by musela ve fúzních reakcích vytvořit energii schopnou nahradit celý svůj energetický příkon a vyrobit i elektřinu navíc. A k tomu jsme u inerciální fúze ještě velice daleko. Stále je v tomto směru o hodně dále magnetické udržení v podobě tokamaků, zvláště v případě dokončení zařízení ITER.

Na druhé straně však jde o povzbuzení fandů pro využití termojaderné fúze pro pohon budoucích hvězdoletů. Právě inerciální fúze by se u nich měla využívat, jak je podrobněji popsáno v dřívějším článku na Oslovi. Je třeba připomenout, že na rozdíl od zařízení ITER, které je budováno jako předstupeň k realizaci termojaderné elektrárny, je NIF zařízení dominantně určené pro výzkum v oblasti technologií souvisejících s termojadernými zbraněmi. Do jisté míry nahrazuje testy termojaderných bomb. Dalším jeho zaměřením je fundamentální výzkum extrémně hustých stavů plazmatu důležité hlavně pro astrofyziky.

Na podzim jsem měl přednášku v rámci Fyzikálních čtvrtků o jaderných zdrojích pro vesmírné lety. Byla sice zaměřená hlavně na štěpné zdroje, ale jako aktualitu jsem tam popisoval i tento průlom v oblasti fúze:

Psáno pro servery Kosmonautix a Osel.

Print Friendly, PDF & Email
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky
Prosím čekejte...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

14 komentářů ke článku “Zlom v cestě k inerciální fúzi a budoucím mezihvězdným pohonům”

  1. Petr Kaspar napsal:

    U všech fůzních reaktorů nemám jasno v tom, jak se bude vyprodukovaná energie zachytávat a přeměňovat na elektrickou.
    Ať už jde o tokamaky, stelarátory, nebo dokonce tyto laserové. Co jsem pochopil, tak stěny komor jsou vždycky konstruované tak, aby energii plazmatu odolaly a i tak je to technologická výzva, zamezit degradaci stěn. Kde se tedy umístí voda měněná na páru a hnaná do generátorů? Nebo je v plánu ještě jiný princip?
    Pokud někdo má jasno, budu moc rád za vysvětlení.

    • Vladimír Wagner napsal:

      U tokamaků je to tak, že teplo bude předáváno ve stěně nádoby, ve které je plazma uzavřeno. dominantně půjde o energii neutronů, které se ve stěně zpomalí a absorbují. Médium, které zajistí chlazení při svém průtoku stěnou, zároveň přenese teplo do parogenerátoru, který vyprodukuje páru pro turbínu. Pro chlazení mohou být v principu využívána různá média, podobně jako u štěpných reaktorů, ale zatím se často uvažuje voda. Energie předaná vzniklému héliu bude dominantně sloužit k ohřevu plazmatu.

      • ventYl napsal:

        Otazka: ak tomu rozumiem spravne, pouzite chladiace medium pri jadrovom reaktore obmedzuje jeho ucinnost, rozne rezimy chladenia zalozeneho na vode a pare umoznuju dosiahnut cca 25%, chladenie sodikom tuto hranicu posuva vyssie.

        Bude toto obmedzenie platne v plnom rozsahu aj pre tokamaky? Z laickeho 5 sekundoveho zamyslenia mi vychadza, ze bud nie, alebo ak ano, tak z inych dovodov. Pri reaktoroch je to dane tym, na akych teplotach sa da prevadzkovat aktivna zona, co ovplyvnuje zlozenie paliva aj ucinnost premeny energie. Tokamaky ale pracuju na trocha inom principe odovzdavania tepla, takze limity mozu byt max. materialoveho razu.

        Principialna ucinnost premeny energie fuzie na ine formy energie by teda mohla byt vyssia ako 25% aj pri pouziti vodneho chladenia.

    • diwalt napsal:

      U současných řešení (a je jedno, jestli tokamaků, stealátorů nebo některých ze způsobů inerciální fúze) se počítá s využitím tepla, které předají zejména neutrony při dopadu na stěny, dále pak ohřevem chladícího média a pak už jako u klasické tepelné elektrárny (jen se nebude topit uhlím nebo uranem, ale slučováním lehkých jader).

      Novinkou je ale zařízení, které buduje Helion Energy. Základem je inerciální fúze podobně jako v tomto článku, ale jde o to, že elektromagnetické pole, které nutně vzniká v plazmatu během slučování jader, bude využíváno přímo na indukci elektřiny ve vnějších cívkách. Co jsem se dočetl, tak pokusy proběhly dobře a staví větší zařízení.

      Tohle by mohl být zajímavý krok mimo parní kotle, které při výrobě elektřiny zatím stále ještě využíváme. Tak uvidíme…

  2. shot77 napsal:

    Velmi zajímavý výsledek dané inerciální fúze a tím pádem článek. Nevím moc se mě nechce věřit, že po tolika letech jenom díky odlišnému výkonu a použitého materiálu byla energie na výstupu (tedy vytvořená) tak odlišná, než kterou dosahovali v minulosti s tímto zařízením. Jenom aby tu termodynamiku nějak neošidili díky chybnému výpočtu. Ale kdyby to zopakovali byla by to pecka.
    Takže u budoucího hvězdoletu by musel být výkonný laser napájen výkonným jaderným zařízením na palubě, který by dostatečně a dlouhodobě generoval energii potřebnou pro termojaderné výbuchy. Jinak za současných technologických znalostí neexistuje dostatečné zařízení pro výrobu energie.
    Zatím opravdu velká utopie pro mezihvězdný pohon.

  3. Borin napsal:

    Ing. Petr Kulhánek v jedné ze svých přednášek zmínil svou „exkurzi“ ke staveništi tokamaku ITER, který se buduje od roku 2006 ve francouzském Cadarache.
    Jeho postřeh o tempu budování: Velmi velmi pomalé.
    Jak jižní národy říkají – maňána.

    Nyní 2020/21 se začínají instalovat první technologie tokamaku.
    „…ještě prototyp komerčního reaktoru DEMO. Ten bychom chtěli začít stavět kolem roku 2035,“ nastiňuje fyzik Radomír Pánek.

    Kdy tohle asi spustí Čína…..

  4. vik_tor napsal:

    Moc hezky prehledovy clanek.

    Mam k nemu otazku a poznamku

    Chapu ze se podarilo vyrobit 1,3 MJ energie fuzni reakci zazehnutou 1/5 laseroveho pulzu o energii 1,9 MJ, tedy cca 0,38 MJ

    Otazka

    Jaky byl duvod ze se do kapicky dostala jen 1/5 energie svazku? Co brani mu ji predat celou? Nemoznost svazek zaostrit (z duvodu vystupniho prumeru svazku a vlnove delky) do tak maleho prostoru nebo neco jineho? Treba odrazivost kapicky?

    Poznamka

    Jaka je ucinnost premeny tepelne energie v laserovy svazek?
    Ucinnost vyroby el energie z tepelne energie je max 50%. Ucinnost neodymoveho laseru je take 50%. Celkova ucinnost bude tedy ~ 25%. Na vyrobu laseroveho pulsu o energiii 0,38 MJ je tedy potreba 1,52 MJ

    K realne fuzni elektrarne je porad jeste dlouha cesta

  5. vik_tor napsal:

    Poslechl jsem si prednasku…a je uzasna! Studentum pana doktora Wagnera uprimne zavidim:)

  6. David R. napsal:

    Při fúzi deuteria a tritia odnáší většinu energie rychlé neutrony. A ty mršky nemají smysl pro kolektiv, lítají všemi směry. Tokamak je kolos, který se s tím dokáže vyrovnat, tuna sem, tuna tam, a přemění to na teplo. Exploze kapsle je zase určená pro zbraně, takže tam to asi také nevadí … nebo že by naopak? Ale v případě kosmické lodi je to problém. Tzv. neutronové zrcadlo není to, co by si člověk pod pojmem zrcadlo představoval, pohlcuje energii. Takže při výkonu řádu GW (méně pro hvězdolet nedává smysl) by se za pár sekund vypařilo. Nevím o tom, že by to někdo řešil. Spíš se to bere tak, že vodíková fúze je jen taková rozcvička, a poté se přejde na helium. Tam je zapálení mnohem obtížnější, ale fúze je aneutronická. Částice mají elektrický náboj, tak by se snad daly nějak nasměrovat. Ovšem teploty budou vysoké, takže z toho pořád bude smršť rtg a gama záření – a elektronika to nemá ráda, o lidech nemluvě. Docela dost vývoje, a pakliže se energetika i armáda spokojí s vodíkem, což je skoro jisté, protože He3 je drahé, kosmonautika v tom zůstane sama jako kůl v plotě a peníze do toho potečou 10x pomaleji. Takže to je na dalších 100 let.

  7. Štěpán napsal:

    Děkuju moc za tyto více vědecké články 🙂

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.