Fúze protonu s bórem 11 v magneticky udržovaném plazmatu

Tao Technologies je jedna ze startupových firem zaměřených na hledání možnosti využití fúze protonu s bórem 11. Spolu s japonskými fyziky publikovala výsledky experimentů s těmito fúzními reakcemi realizovanými v magneticky udržovaném plazmatu. Podívejme se, co to reálně přináší.

Fúzní reakce protonu s izotopem bóru 11, při které vzniknou tři jádra helia 4 a uvolní se energie 8,7 MeV, patří k několika reakcím použitelných pro fúzní termojaderné elektrárny na Zemi. Má své výhody i nevýhody. Výhodou je, že se při ní, podobně jako je tomu u reakce deuteria s heliem 3, neprodukují neutrony. V reakcích neutronů se stěnami komory vzniká radioaktivita, která pak způsobuje problémy při provozu i údržbě zařízení. Základní nevýhodou naopak je, že potřebná teplota pro dosažení podmínek pro udržení fúzních reakcí je řádově vyšší, než je tomu u fúze s využitím deuteria a tritia. Pravděpodobnost této reakce je i při této vysoké optimální teplotě násobně nižší, než je pravděpodobnost reakce deuteria s tritiem při její optimální teplotě. Potřebná velmi vysoká teplota vede také k vysokým ztrátám energie radiací a brzdným zářením elektronů v plazmatu.

Závislost pravděpodobnosti reakce vyjádřené účinným průřezem na teplotě v keV (1 keV je 11,6 milionů K)

Podrobný přehled problematiky dosažení podmínek pro zapálení termojaderné fúze a jejího energetického využití je v dřívějším článku, nejnovější úspěchy v cestě za termojadernou fúzí s pomocí inerciálního udržení plazmatu je v nedávném článku a nedávné reálné experimenty s fúzními reakcemi deuteria s tritiem při magnetickém udržení v tokamaku JET jsou popsány v o trochu starším článku. Většina vědeckého úsilí se soustřeďuje právě na reakce deuteria s tritiem.

Hned několik startupových firem angažujících se ve vývoji termojaderné elektrárny se i přes zmíněné výzvy zaměřilo na reakci protonu s bórem 11. V nedávném článku bylo popsáno studium reakce protonů urychlovaných pomocí laserového svazku s bórem 11 a detekce vznikajících heliových jader. Popsané experimenty realizovala firma HB11 Energy.

Japonské zařízení LHD je druhý největší současný stellarator. Zdroj: NIFS

Za novými experimenty, které poprvé realizovaly fúzní reakce protonů s bórem 11 v prostředí magneticky drženého plazmatu a byly popsány v nedávném článku v Nature Communications, pak stojí firma TAE Technologies. Spolu s japonským Národním ústavem pro fúzní vědu NIFS (National Institute for Fusion Science) ve městě Toki poprvé realizovaly fúzní reakce protonu s bórem 11 v magneticky udržovaném plazmatu. Využívala se k tomu supravodivá magnetická past LHD (Large Helical Device) ve zmíněném japonském ústavu. Jde o druhý největší stellarátor po novém německém zařízení Wendelstein 7-X.

Připomeňme, že oproti tokamaku má stellarátor daleko komplikovanější tvar magnetického pole. Jeho tvar přináší některé výhody, ale je extrémně náročný na jeho vytvoření a projektování magnetů. To je důvodem, proč je stellarátorů mnohem menší počet, než je tomu u tokamaků. Muselo se počkat na potřebný pokrok ve výpočetní technice a matematických metodách potřebných pro simulace a návrhy magnetických polí a technologií pro konstrukci magnetů. Více ke slovu se tak stellarátory dostávají až na přelomu století. Podrobněji o těchto zařízeních v již zmíněném přehledu.

Japonský stellarátor LHD. Zdroj: NIFS

V nejnovějším článku popisují vědci z obou institucí experimenty na LHD s realizací reakcí protonů s bórem 11 a detekcí jader hélia 4 (částic alfa). Právě pro detekci alfa částic produkovaných při této reakci se využívaly detektory vyvinuté firmou TAE Technologies. Do plazmatu v stellarátoru LHD se vstřikoval prášek z bóru. Jeho zrníčka byla hluboko v submilimetrové oblasti. V plazmatu se tak dosáhla významná příměs bóru. Zároveň se tam vstřikoval neutrální svazek vodíků s vysokou energií. Ten se získá tím, že se urychlené protony před vstupem do plazmatu neutralizují. Jde o jednu z metod ohřevu plazmatu a také možnost dodání protonů s vysokými energiemi vhodnými pro fúzní reakce.

V tomto konkrétním případě se využívaly tři injektory neutrálních svazků s pracovním napětím 160 kV a výkonem 2 MW. Vytvořila se tak bohatá populace protonů s vysokou energií v magneticky udržitelném plazmatu. Tím se významně zvýšila pravděpodobnost reakce protonů s bórem 11. V takových podmínkách docházelo k fúzním reakcím s dostatečnou pravděpodobností, aby se daly produkované alfa částice dobře měřit.

3D model vakuové komory stellarátoru LHD s výřezem a ukázkou tvaru (žluté čáry) magneticky drženého plazmatu v něm. Vyznačeno je místo, kde se měřily částice alfa, a vpravo je pak výřez z ukázkami drah alfa částic zobrazených modrými liniemi. Zdroj: R. M. Magee et al: Nature communication (2023)14:955

Doposud se fúzní reakce protonu s bórem 11 teoreticky studovaly v plazmatu produkovaném lasery a pomocí urychlovačů ve srážkách urychlených protonů s bórem 11 v pevném terči. Experiment s využitím stellarátoru LHD umožnil studovat tyto reakce probíhající v magneticky udržovaném plazmatu. Boronizace, tedy přimísení bóru do plazmatu, která proběhla při výstřelu na stellarátoru, vedla k hustotám bórových iontů v plazmatu až 6·10¹⁷ m^-3. Druhou důležitou komponentou byly vysokoenergetické protony, které se přiváděly popsanými třemi injektory neutrálních svazků. Podle výpočtu by při výstřelu všech tří injektorů a uvedené hustotě iontů bóru mohlo docházet až ke 10¹⁴ fúzních reakcí za sekundu.

Pro detekci částic alfa se využívaly planární křemíkové polovodičové detektory PIPS (Passivated Implanted Planar Silicon). Tento typ detektoru má odezvu jak na nabité částice, tak i na záření gama. Proto byla jejich orientace taková, že nemohly vidět přímo plazma a byly tak od jeho gama a rentgenového záření stíněny. Nabité částice alfa se do detektoru dostávaly komplikovanější drahou. Navíc byl detektor odstíněn před zářením gama platinovou fólií. Energetická kalibrace detektoru se realizovala pomocí zářiče alfa americia 241, který emituje částice alfa s energií zhruba 5,5 MeV. Tento radionuklid se nevyužívá jen jako kalibrační zdroj pro alfa gama spektrometrii. V dřívějším článku je popsáno jeho plánované využití v evropském radionuklidovém zdroji pro vesmírná zařízení.

Detektor alfa částic připravený firmou TAE Technology. Nalevo je jeho CAD model s vyříznutým tepelným stíněním z grafitu, aby byl vidět samotný detektor. Vpravo je schéma s označením základních částí detektoru. Kolimátor a platinová fólie stíní detektory před gama zářením. Zdroj: R. M. Magee et al: Nature communication (2023)14:955

Při popisovaných experimentálních výstřelech mělo toroidní magnetické pole intenzitu 2,75 T. Elektronová teplota plazmatu byla zhruba 2 keV (zhruba 23 milionů kelvinů). Samotný výstřel trval okolo 4 s. Pro kontrolu byly realizovány výstřely bez a s aplikací bóru. Byla pozorována jasná korelace mezi detekcí částic alfa a přítomnosti bóru a fúzních reakcí. V případě fúzních reakcí, tedy při přítomnosti příměsi bóru v plazmatu a injektáže protonů s vysokou energií, četnost signálů z detektoru alfa vzrostla více než o dva řády.

Pozorované četností detekce byly srovnávány s teoretickými simulacemi. V nich je výpočet počtu fúzních reakcí a alfa částic i jejich energií poměrně přímočarý. Daleko složitější je modelování transportu alfa částic a v elektrických a magnetických polích a jejich detekce. Srovnání získaných experimentálních dat s výsledky simulací umožňuje zpřesňovat modely a programy, které se pro simulace využívají. V dalších budoucích experimentech bude možné studovat průběh fúzních reakcí protonů s bórem za různých podmínek v plazmatu. Umožní to zpřesnit naše znalosti a upřesnit podmínky, které budou muset splnit budoucí fúzní zařízení.

Připomeňme, že idea TAE Technologies předpokládá využití reakce protonu s bórem 11 ve své budoucí fúzní termojaderné elektrárně. Ta by využívala intenzivní svazky z urychlovače pro vytvoření intenzivního magnetického pole a velmi horkého plazmatu procesem FRC (Field-reversed configuration). Zařízení využívající FRC se ve fúzním výzkumu intenzivně uplatňovala v době před tokamaky. Nyní se znovu vracejí na scénu hlavně u startupových firem.

Firma TAE Technologies postavila už několik zařízení, u těch posledních se jim podařilo dosáhnou teploty plazmatu překonávající až 100 milionů kelvinů. Pro realizaci fúzního zážehu bude potřeba zvýšení o více než řád. Při takových teplotách bude mít velice negativní dopady vyzařování brzdného záření elektronu v horkém plazmatu zmíněné v úvodu tohoto článku. To by se dalo snížit tím, že teplota elektronů v plazmatu se bude udržovat níže, než tomu bude u iontů.

K dosažení vědeckého, zápalného, a zvláště inženýrského vyrovnání má toto zařízení ještě hodně daleko. Je třeba řešit i to, že konverze energie v urychlovači na ohřev plazmatu nemá vysokou efektivitu. Popsané experimenty s fúzi v zařízení LHD k tomu přímo příliš nepřispějí. Ovšem studium fúze protonu a bóru ve stellarátoru s využitím svazku protonů s vysokou energií může zlepšit popis dosažitelných podmínek na budoucích zařízeních. Vypracování metodiky detekce alfa částic ve fúzních experimentech je pak významný přínos pro libovolnou využívanou fúzní reakci a celou řadu fúzních zařízení.