Jak to bylo s nedávným zapálením inerciální fúze?

Při inerciální fúzi probíhají v podstatě mikrotermojaderné exploze. V minulých dvou letech se na americkém zařízení NIF podařilo překročit hranice fúzního zapálení. Podívejme se, co tato událost znamená pro cestu k termojaderným pohonům kosmických lodí z pohledu současné publikace detailního rozboru tohoto úspěchu.

O úspěšném výstřelu na americkém zařízení NIF (National Ignition Facility) v polovině roku 2021, kdy se podařilo dosáhnout podmínek daných Lawsonowým kritériem fúzního zapálení, jsme už na oEnergetice psali. Při nich dojde k tomu, že se ve fúzních termojaderných reakcích produkuje alespoň takové množství energie, které se spotřebovává na jeho ohřev. V těchto dnech otiskl časopis Nature podrobný článek o cestě k tomuto klíčovému experimentu.

Připomeňme, že potřebné podmínky pro intenzivní průběh fúzních reakcí jsou dosažení odpovídající teploty plazmatu a potom součinu jeho hustoty a doby udržení. Tyto podmínky jsou různé pro jednotlivé možné fúzní reakce. Nejjednodušší je dosažení těchto podmínek pro reakci deuteria s tritiem. Teplota by se měla blížit a nejlépe i překročit hodnotu sto milionů stupňů celsia. Pro dosažení potřebného součinu hustoty plazmatu a doby udržení je možné využít jednu ze dvou možností.

První je magnetické udržení, kdy se relativně nižší hustota plazmatu kompenzuje dlouho dobou jeho udržení. To je pak v řádu sekund, či dokonce desítek až stovek. Známým příkladem magnetického udržení jsou magnetické pasti označované jako tokamaky, z nichž asi nejznámější je ITER budovaný ve francouzské Cadarache.

Druhou možností je dosažení velmi vysoké hustoty plazmatu při tzv. inerciálním udržení. Ta dosahuje až hustoty olova. Doba udržení pak může být o mnoho řádů kratší, než jsou mikrosekundy. Stlačení se dosáhne izotropním ozářením kapičky s termojaderným palivem svazkem záření, zatím se nejčastěji využívá laser. Jde tak vlastně o mikroskopický termojaderný výbuch. A právě inerciální udržení plazmatu se studuje na zařízení NIF.

Podrobně jsou různé fúzní reakce, podmínky nutné pro dosažení fúze a využívaná zařízení i dosažené výsledky popsány v přehledovém článku na Oslovi. Zde je pospán i současný stav výzkumu v této oblasti. Novinky a srovnání situace u současných velkých tokamaků a menších privátních zařízení, které se snaží o kombinaci magnetického a inerciálního udržení je pak v nedávném článku.

Schéma kapsule s palivem s vyznačením tloušťky ablační vrstvy a vnitřní části s palivem, schéma dutiny hohlraum a jejího ozáření laserovými svazky, graf ukazující průběh výkonu svazku a teploty hohlraum v čase (zdroj Nature, Vol 601, 27. 1. 2022).

Dosažení fúzního zapálení na zařízení NIF

Podívejme se tedy nyní podrobněji na to, čeho se podařilo dosáhnout na zařízení NIF. U tohoto zařízení se dosahuje inerciálního udržení pomocí ozáření malé kuličky zmrzlé směsi deuteria a tritia o velikosti zrnka pepře rozděleným velmi intenzivním svazkem mohutného laseru. Následná imploze palivo extrémně ohřeje a stlačí.

Laser zařízení NIF patří k těm největším. Jeho výkon je až 500 TW a dokáže během výstřelu dodat energii až 1,9 MJ. Doba udržení plazmatu je pak v řádu nanosekund. Původní svazek je rozdělen do 192, které v současné sestavě ozáří z přesně daných směrů zlatou dutinu označovanou jako hohlraum. Ta se tím zahřeje na extrémně vysokou teplotu a vyzařuje rentgenovské záření. Uvnitř hohlraum se vytvoří specifická lázeň rentgenovského záření, které velmi izotropním způsobem ozáří pepřovou kuličku se zmrzlým deuteriem a tritiem. Vytvoří 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.

Vnější ablační vrstva kapsule s palivem pohltí zhruba 10 – 15 % rentgenovského záření, ohřeje se, vypaří a přemění na plazma, které vyvine tlak v řádu až 10 TPa. Rozběhne se tak imploze, která vytvoří rázovou vlnu s rychlostí i 350 až 400 km/s. Dominantní část rentgenovského záření 92 až 95 % se v ablační vrstvě spotřebuje na iniciaci a realizaci imploze a rázové vlny, pouze okolo 10 až 20 kJ dostane malinký objem paliva uvnitř stlačeného zrnka. Zde tak na vrcholu imploze dosáhne tlak hodnoty v řádu až 100 TPa. Hmotnost paliva v zrnku je okolo 200 mikrogramů, Z toho pouze okolo 20 až 30 mikrogramů se na konci imploze nachází v extrémně hustém a horkém nitru. Při dosažení tepelné rovnováhy se dosahuje teplota okolo 50 milionů stupňů celsia. Tím se vytvoří podmínky pro zapálení fúzních reakcí, které následně teplotu ještě dále zvýší.

Při fúzní reakci deuteria a tritia, ve které vzniká hélium 4, tedy částice alfa, a neutron, se uvolňuje značná energie. Čistě z kinematiky plyne, že při fúzní reakci deuteria s tritiem získá z celkové produkované energie 17,6 MeV vzniklá částice alfa 3,5 MeV a neutron si odnese 14.1 MeV. Neutrony nemají elektrický náboj a opouštějí plazma bez toho, aby mu svou energii předaly, k jeho ohřevu tak přispívá pouze vzniklé helium. Můžeme tak uvádět dvě různé veličiny pro charakterizaci energie uvolněné při fúzi a stupně dosažení podmínek fúzního zapálení. První je poměr mezi celkovou uvolněnou energií ve fúzi a energií, která byla plazmatu dodána. Označuje se jako Q. Druhou je poměr mezi energií, kterou ve fúzi získala heliová jádra ohřívající plazma, a celkovou energií. Označuje se jako Q_α.

V případě tokamaků je zatím maximální reálně získaná hodnota Q = 0,67 a Q_α = 0,13. Byla získána na tokamaku JET při experimentech v devadesátých letech, kdy pracoval se směsí deuteria a tritia. Je třeba připomenout, že dominantní část tokamaků, i těch které dosáhly vyšší kvality plazmatu, nepracuje s deuteriem a tritiem. V případě zařízení ITER by mělo být dosahováno hodnot Q = 10 a Q_α = 2.

Zobrazení dosažených podmínek při různých výstřelech realizovaných s pomocí různých metod využívaných pro dosažení izotropie ozářená zrnka s palivem, jde o tlak a energii dodanou palivu. Je vidět, že poslední čtyři výstřely se dramaticky posunuly ve směru splnění podmínek pro fúzní zapálení. Označení výstřelu je NRRMMDD. (Zdroj Nature, Vol 601, 27. 1. 2022).

Rekordní výstřely na NIF

Po roce 2014 se v experimentech se zrnky, jejichž vnitřní průměr oblasti s palivem byl 0,91 až 0,95 mm, dařilo postupně zlepšovat podmínky ozařování laserovými svazky. Nakonec se ve fúzi podařilo z paliva dostat energii i 50 kJ. Další zlepšení podmínek uvnitř hohlraum, které umožnily zvýšit izotropii ozařování kapsule s palivem. V posledních dvou letech se tak podařily čtyři výstřely, u nichž se tak realizovalo překročení podmínek pro fúzní zapálení, a nakonec dosáhnout až fúzní energii 170 kJ. Alfa částice tak získaly až 34 kJ. Hodnota Q_α překročila až 2,5.

Dosažené parametry se podařilo ověřit příslušnou diagnostikou, která je uvnitř vakuové nádoby, ve kterých mikrotermojaderná exploze probíhá. Měření uváděných parametrů je pochopitelně nepřímé a do jisté míry modelově závislé. Příslušné metody a vznikající nejistoty jsou v publikaci podrobně popsány. V každém případě je však jisté, že se podařilo dosáhnout dramatického průlomu.

Ještě větší zlom se podařil při výstřelu 8. srpna 2021, kdy se podařilo ve fúzi uvolnit energii 1,3 MJ, což je téměř o řád více, než bylo dosaženo ve zmíněných čtyřech předchozích výstřelech. Tento úspěch se realizoval v době finalizace článku pro Nature a jeho přesný popis a interpretace bude tématem nového připravovaného článku.

Na grafech je nalevo zobrazena energie KEfuel, která byla dodána přímo palivu, a energie Eα, která byla předána z fúze alfa částicím. U výstřelů nad čárkovanou přímkou se dosáhlo podmínek, kde by energie fúzních částic alfa stačila k ohřevu plazmatu. Na je pro konkrétní výstřely zobrazena hodnota veličiny Qα = Eα/ KEfuel. Označení výstřelu je NRRMMDD. (Zdroj Nature, Vol 601, 27. 1. 2022).

Závěr

Jak je vidět, publikovaný článek nepopisuje podrobnosti o srpnovém výstřelu, který vzbudil tak velký ohlas na konci minulého roku. Není tak jisté, čím přesně se podařilo energii produkovanou ve fúzi téměř o řád zvýšit oproti čtyřem velmi úspěšným výstřelům z přelomu let 2020 a 2021. Nelze tak říci, jestli bylo klíčové zvýšení množství energie, které se podařilo do zrnka s palivem dostat nebo zvýšení teploty a hustoty vzniklého plazmatu. Ovšem je jasné, že alespoň podmínky, které umožňují překonání hodnoty Q potřebné pro fúzní zapálení se daří dosahovat standardně a daří se je i značně překonávat, jak potvrzuje výstřel z 8. srpna 2021. To je opravdu příslib budoucího dramatického posunu v této oblasti.

Studovat vlastnosti plazmatu a dosažení podmínek potřebných pro udržitelnou produkci fúzní energie v případě magnetického udržení lze i bez využívání paliva v podobě deuteria a tritia. Naopak při studiu inerciálního udržení se musí pracovat přímo s palivem. Nyní je jasné, že se na inerciálním zařízení NIF řádově překonala hodnota veličiny Q, které se podařilo dosáhnout na evropském tokamaku JET. V principu se zde pohybujeme v oblasti hodnot této veličiny, které by měly být dosahovány na tokamaku ITER.

Na druhé straně je však třeba zdůraznit jeden důležitý aspekt ukazující na to, proč jsou inerciální zařízení v cestě za termojadernou elektrárnou pořád velmi pozadu za tokamaky. Jak je vidět i z našeho rozboru, výstřely s velmi malým objemem plazmatu je možné na inerciálním zařízení opakovat jen s velmi malou frekvencí. V reálném fúzním reaktoru by se musely opakovat desetkrát za sekundu. U tokamaků se na různých zařízeních daří realizovat rekordní experimenty relativně často a práce tokamaku může mít mnohem blíže ke kontinuální a standardní. I tak jsou však poslední výsledky na zařízení NIF velmi pozitivním příslibem pro budoucí vývoj mezihvězdných termojaderných pohonů.

O dané problematice jsem měl nedávno přednášku pro jičínskou hvězdárnu: