Předběhla opravdu australská HB11 ostatní fúzní zařízení?

Koncem března ohlásila australská firma HB11 zásadní zlom v cestě za využití fúzní energie pro výrobu elektřiny. Je tak zajímavé se podívat, na čem firma reálně pracuje, jaký je skutečný potenciál v této oblasti a jak blízko jsou na cestě k fúzní elektrárně.

Australská soukromá firma HB11 Energy ohlásila zásadní pokrok ve své cestě k využití fúzních reakcí pro produkci elektřiny. V tomto případě se jedná o publikaci jejich výsledků s urychlením protonů a realizace jejich fúzních reakcí s bórem 11 v článku v recenzovaném časopise Applied sciences.

Pracovníci firmy HB11 Energy. Napravo je Heinrich Hora. Zdroj: HB11 Energy

Je tak určitě zajímavé se na danou problematiku a výsledky podívat. Firma HB11 Energy může být pro nás zajímavá i z toho důvodu, že její zakladatel Heinrich Hora se v roce 1931 narodil v Děčíně. Ideou firmy je využití reakce protonu s izotopem bóru ¹¹B, při které vznikají tři jádra helia a uvolňuje se energie 8,7 MeV. U této reakce existují některé výhody a některé nevýhody. Zásadní nevýhodou je, že teplota pro dosažení termojaderné fúze je téměř o řád vyšší, než je tomu u využití reakce tritia a deuteria. Také pravděpodobnost reakce je při optimální teplotě o řád nižší, než je tomu u reakce, která se předpokládá využívat na tokamaku ITER a dalších zařízeních. Uvolněná energie je také jen poloviční oproti slučování tritia a deuteria.

Výhodou naopak je, že vznikají pouze nabité částice a v jejich reakcích s povrchem vakuové nádoby a dalšími materiály nedochází k jaderným reakcím, produkci radioaktivity a poškozování stěn. Zároveň se právě kvůli produkci nabitých jader může v principu využít přímé přeměny energie plazmatu na elektrickou pomocí manetohydrodynamického generátoru. Jak si však za chvíli ukážeme, je využití těchto výhod zatím jen velkou výzvou, které má bohužel daleko od reality.

Detailní rozbor a srovnání různých reakcí a způsobů dosažení podmínek pro termojadernou fúzi je v dřívějším přehledovém populárním článku na oEnergetice (zde a zde). Jak už jsem zmínil, je pro termojadernou fúzi protonu a bóru potřené dosáhnout velmi vysoké teploty, proto se o ní v případě magnetického i inerciálního dosažení termojaderné fúze zatím neuvažuje. Nedávné úspěchy v těchto oblastech v přípravě plazmatu a s jinými reakcemi jsou rozebrány v několika článcích na oEnergetice (zde, zde, zde a zde).

Simulovaná spektra protonů a alfa částice emitovaných v popsaných experimentech firmy HB11 Energy. Zdroj: Applied Sciences 12: 1444

K realizaci fúzní reakce protonů a bórů využívá firma HB11 Energy laserový svazek. Intenzivní elektromagnetické pole, které pikosekundový velmi výkonný laser vytvoří, může urychlovat nabité částice i na poměrně vysoké energie. To leží v pozadí snahy využívat výkonné lasery pro konstrukci kompaktních urychlovačů. Jde o velice perspektivní směr a mohly by se tak získat opravdu velice kompaktní a efektivní urychlovače elektronů, protonů a iontů. Také u nás se na takových možnostech pracuje s využitím i nových laserových zařízení v centru ELI Beamlines. Libovolné jaderné reakce, včetně těch fúzních, lze realizovat srážkami částic urychlených na urychlovači.

Právě využití petawattového laserového svazku s relativistickými intenzitami, které překračovaly hodnoty 10¹⁹ W/cm², pro urychlení protonů a jejich využití pro fúzní reakce je ukázáno ve zmíněném článku. Konkrétní laser měl celkovou energii velmi krátkého pulsu o délce pouhých 2,2 ps okolo 1,4 kJ.  Na terči z nitridu bóru s tloušťkou 0,2 mm a koncentraci vodíku ve vzorku několik procent se podařilo dosáhnout vysokého výtěžku fúzních reakcí protonů s bórem 11 a tím i vysoké intenzity toku produkovaných částic alfa. Počet emitovaných alfa částic na puls dosahoval hodnoty v řádu 10¹⁰ na steradian. Spektrum urychlovaných protonů se táhlo až do energie 25 MeV a spektrum alfa částice emitovaný z čelní strany terče do zpětného směru se táhla významně přes energie 10 MeV.

Pro produkci energie ve fúzních reakcí se plánuje využít dvou laserů a cívky. Zdroj: HB11 Energy

Měřené hodnoty lze využít k odhadu celkového počtu částic alfa vyprodukovaných během pulsu a emitovaných i do terče, kde jsou absorbovány. Z počtu emitovaných částic alfa a spektra jejich energie lze pak odhadnout i podíl energie těchto částic alfa k energii laserového pulsu. Dostáváme podíl pouhých 0,005 %. V daném případě tak máme velice efektivní zdroj částic alfa, ale v oblasti efektivity produkce energie to není žádná sláva.

Pochopitelně lze i tento parametr zlepšit. Firma HB11 Energy počítá s využitím dalšího laseru, který by pomohl spolu s cívkou vytvářející intenzivní magnetické pole vytvořit podmínky pro magnetické udržení umožňující zesílení energetického zisku. Jak efektivní ovšem tento stupeň bude, není vůbec jasné.

Zmíněnou deklarovanou výhodou by měla být také přímá konverze energie nabitých částic na elektřinu bez transformace na teplo a využití turbíny. K tomu účelu by kolem terče a zdroje alfa částic (heliových iontů) měla být koule nabitá na napětí 1,4 megavoltů. Tento potenciálový rozdíl by měl heliová jádra zastavit a neutralizace těchto iontů by měl generovat proud. Předpokládá se, že vytvořený generátor by měl být jednodušší a menší než systém s parogenerátorem a turbínou. Je však otevřenou otázkou, jak bude reálně fungovat a jakou bude mít účinnost. Zvláště, když spektrum alfa částic se táhne daleko přes energii 2,8 MeV.

V plánu je využití přímé konverze energie nabitých iontů v elektrický proud. Zdroj: HB11 Energy

Závěr

Laserové urychlování iontů a kompaktní urychlovače postavené na tomto principu jsou velmi atraktivní a perspektivní oblastí. Zároveň lze takové urychlení protonů a fúzní reakce protonů s bórem 11 využít k realizaci velmi intenzivního zdroje alfa částic. V tomto směru jsou publikované výsledky velmi zajímavé a přínosné. Pomohou v současné snaze využít výkonné lasery k efektivnímu urychlování částic a realizaci velmi kompaktních urychlovačů a zdrojů částic.

Ovšem prezentace těchto experimentů a dosažených výsledků jako průlomu při cestě k fúznímu reaktoru a elektrárně je hodně velká nadsázka a spíše čisté PR dané firmy. Výzvy, které v daném směru stojí, jsou stále obrovské. A pořád je otevřenou otázkou, zda jsou vůbec překonatelné.