Zlom v cestě k inerciální fúzi a budoucím mezihvězdným pohonům

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. Zdroj: LLNL

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.

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.

Uvnitř komory zařízení pro inerciální fúzi NIF. Zdroj: LLNL

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 následujícím jeho 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. 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. 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.

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.

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

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.