Pondělí, 28 září
Shadow

Co se vlastně povedlo fúzním vědcům v inerciálním zařízení NIF?

Již na podzim proběhla médii zpráva, že se na zařízení National Ignition Facility v americkém městě Livermore podařilo dosáhnout pozitivní bilance při výrobě energie termojadernou fúzí. Jak už to tak bývá, novináři bohužel chtěli větší senzaci, než o jakou se skutečně jednalo. K neoficiálnímu zveřejnění výsledků navíc došlo v době americké rozpočtové krize, takže se k nim žádná oficiální místa nevyjadřovala. Na počátku února byl úspěch vědců konečně oficiálně publikován v časopise Nature, který je snad nejrespektovanějším odborným periodikem vůbec. Přestože nebylo dosaženo žádného zázraku, jsme fúzi zase o kousek blíž. Pojďme se podívat, o co vědci v tomto zařízení usilují a co se jim vlastně povedlo.

Komora zařízení NIF s čočkami 192 laserových paprsků, v jejichž ohnisku je palivová kapsle, uložená ve zlaté schránce zvané hohloraum. Toto fotogenické místo si zahrálo také v posledním filmu série Star Trek.
Komora zařízení NIF s čočkami 192 laserových paprsků, v jejichž ohnisku je palivová kapsle, uložená ve zlaté schránce zvané hohloraum. Toto fotogenické místo si zahrálo také v posledním filmu série Star Trek.

Nedávno jste si na našem serveru mohli přečíst něco o magnetickém udržení plazmatu, které je z hlediska počtu výzkumných fúzních zařízení dominantní. Především Američané (ale také Francouzi – Laser Magajoule) ale vidí šanci také v trochu jiném principu. Tato metoda udržení plazmatu (palivo ve stavu čtvrtého skupenství je nutné určitou dobu udržet pohromadě, aby v daném objemu stihlo proběhnout mnoho fúzních reakcí a uvolnila se požadovaná energie) je založena na velice prostém mechanismu, plasma jednoduše zůstane pohromadě tak dlouho, jak mu to dovolí setrvačná síla (odtud inerciální udržení). Vlna termojaderného hoření se skutečně dokáže plazmatem šířit o něco rychleji, než je rychlost tepleného rozpínání. V principu se tedy jedná o malý a v podstatě řízený termojaderný výbuch. A termojaderné výbuchy už máme zvládnuté docela dobře, problém je, že mají většinou destruktivní účinky a to se nám při konstruktivní úloze, jako je výroba elektrické energie příliš nehodí. Podle zastánců ale řešení mohou přinést opakované mikrovýbuchy malých kapslí s palivem (klasicky směs izotopů vodíku deuteria a tritia). Musíme si přiznat, že to budou stále docela silné výbuchy, pro elektrárnu se počítá zhruba s energií 1 GJ, což odpovídá stovkám kilogramů standardní a velmi účinné chemické výbušniny TNT, takže komora musí být opravdu velmi pevná. Aby byla produkce energie v případné elektrárně dostatečná, musely by se takové mikrovýbuchy opakovat mnohokrát za vteřinu, což bude jistě velkou výzvou z mnoha hledisek.

Chceme tedy odpalovat malé peletky paliva, jak to ale provést? V termojaderné bombě slouží jako zapalovač malá atomová bomba, tedy nadkritické množství silně obohaceného uranu nebo plutonia. Tento přístup v elektrárně samozřejmě vhodný není. Ukázalo se, že k vytvoření oblasti o dostatečné hustotě a teplotě můžeme použít tak jednoduché věci, jakou je zákon zachování hybnosti. Pokud povrch palivové tablety dostatečně zahřejeme, začne se odpařovat, tedy atomy či molekuly z povrchové vrstvy začnou utíkat, jenomže celková hybnost systému musí zůstat nulová, takže částice v hlubších vrstvách se naopak musí tlačit ke středu kulové peletky. Tomuto mechanismu říkáme ablace (ablační tlak). Stačí tedy na maličký povrch peletky (poloměr 2 milimetry) dopravit velké množství energie a párty může začít.

Vynikajícím driverem (hnacím zařízením imploze peletky) je laser. Žádné jiné zařízení není schopno vytvořit takto dobře zaostřený svazek energie a dopravit toto ohromné množství energie na terč v tak krátkém čase (odtud pochází ty neuvěřitelné údaje, že lasery v NIF mají výkon větší než všechny elektrárny dohromady – ano, ale je uvolněn v nepředstavitelně krátkém čase díky kondenzátorům, které se předtím nabíjely hodiny). Musíme si uvědomit, že laserových svazků je z důvodů symetrie potřeba mnoho (konkrétně zařízení NIF jich má 192). Kdybychom zahřívali jen jednu stranu peletky, začala by se chovat jako raketa a odletěla do stěny komory reaktoru, my ale chceme tzv. sférickou raketu, tedy takovou, která imploduje do středu a jako celek se nikam nepohybuje. Zde vyvstávají nároky související s přesným zaostřením laserových svazků, ale také s minimalizací nerovností povrchu peletky (ta je sama o sobě malá, takže povolené nerovnosti jsou malé takřka nepředstavitelně).

Mnoho laiků si myslí, že palivo stlačuje samotný tlak laserového záření, ale ten je malý a není schopný předat částicím potřebnou hybnost, takže stlačení opravdu probíhá výše zmíněným mechanismem ablace.

Lasery jsou skvělé k distribuci energie na určené místo, ale mají také své mouchy. Jejich drahá skleněná optika si s mikrovýbuchy úplně nerozumí a jejich jinde oceňovaná vlastnost, téměř přesně definovaná vlnová délka záření, je zde kvůli nestabilitám plazmatu peletky spíše nevhodná, protože je může zesilovat. S tímto neduhem souvisí použití tzv. hohlraumu (z němčiny – dutina) – schránky z kovu s vysokým atomovým číslem (jako nejlepší se ukazuje zlato). Tato schránka se používá také při posledních experimentech na NIF.  Jejím účelem je transformovat optické (nebo spíš optickému spektru blízké ultrafialové záření), které se požívá normálně a je vytvořeno laserovým zářením v konverzních krystalech, na rentgenové. Toto záření o mnohem vyšší frekvenci snižuje možnost výskytu nestabilit, které by mohly ohrozit ideální průběh komprese. Navíc záření hohlraumu netvoří jedna přesně definovaná frekvence, ale jde o tzv. záření absolutně černého tělesa, tedy v podstatě o opravdu hodně rozpálenou pec, ve které pečeme peletku fúzního paliva. Hohlraum ale samozřejmě velkou část energie palivu nepředá, takže tato konfigurace snižuje celkovou účinnost.

 

Jaký je význam nejnovějších výsledků?

Ve stručnosti jsme si tedy vysvětlili, jak fungují experimenty s inerciálním udržením fúzního plazmatu v NIF. Na další podrobnosti a alternativní scénáře se podíváme v některém z následujících dílů seriálu „Fúze, to není jen vtip“. Teď ale pojďme prozkoumat podstatu posledního průlomu ve fúzním výzkumu.

Zařízení NIF se potýkalo s velkými problémy v minulých letech, neplnilo plán, přímo hnaná fúze (bez hohlraumu) zůstala s výsledky daleko za očekáváními. Veřejnost nebyla příliš spokojená s tím, že se do popředí dostávala vojenská složka výzkumu (NIF může simulovat explozi termojaderné bomby), takže nedávno dosažený úspěch přišel právě v čas.

Velkého zlepšení bylo dosaženo díky tvarování laserového pulsu – náběh pulzu zahřeje hohlraum a způsobí stlačení a další zesílení po několika nanosekundách zapálí palivo. V posledních experimentech ale vědci provedli první fázi rychleji. Plastový potah peletky, jehož účelem je odpařit se (pod ním je zmražené a plynné DT palivo – o to nechceme při odpařování přijít), se díky tomu „načechrá“ čímž se omezí nepříjemné nestability. Jak doslova řekl šéf projektu, který je na správném místě už jen kvůli svému jménu, Omar Hurricane: „Tohle načechrávání křídel skvěle potlačí růst nestabilit.“

Díky této změně se vědcům podařilo dosáhnout „fúzního zisku“ (fusion gain) většího než 1. Fúzní zisk je poměr energie, kterou v palivu deponují produkty fúzních reakcí (hlavně částice alfa, rychlé neutrony mají malou pravděpodobnost srážky a unikají ven, tato energie je řádově stejná také s energií, kterou můžeme využít – získáme ji právě zastavením neutronů ve stínění komory), vůči energii, kterou palivo získalo od laserového pulsu. Je to tedy energetická bilance na té nejnižší úrovni z hlediska fyzikálního mechanismu. Nemá nic společného s produkcí energie v hypotetické fúzní elektrárně, tam bude potřeba gain zhruba kolem hodnoty 100. Přesto jsou hodnoty mezi 1,2 a 1,9, kterých vědci při poslední kampani pravidelně dosahovali milníkem, o kterém se možná bude jednou učit.

Mark Hermann, vědec z „konkurenčního zařízení“ v Sandia National Laboratory, potvrdil, že se jeho kolegům z NIF povedlo něco skutečně nevídaného. „Tohle se v laboratoři ve fúzním výzkumu ještě nikdy nepovedlo, zahřívání paliva díky vlastním fúzním reakcím je nezbytné pro další posouvání hodnoty zisku,“ shrnul výsledky Hermann.

Ještě dodejme, že srovnání s úspěchy tokamaků je poměrně obtížné, ty sice nedosáhly takové hodnoty „samoohřevu“, ale na rozdíl od inerciálních zařízení u nich nemusí dojít k zapálení, podmínkám pro rozumný reaktor jsou tedy přes tento úspěch stále blíž zařízení s magnetickým udržením. Na rozdíl od nich musí v peletce inerciálního zařízení probíhat fúze velmi intenzivně i po skončení laserového pulzu. Teplota se v takové situaci udržuje výhradně díky horkým produktům předchozích fúzních reakcí (to je právě ono zapálení).

Nyní se vědci pravděpodobně zaměří na další malá vylepšení, která pomůžou hodnotu zisku zvednout ještě o pár desetin. Pokrok v jiných oblastech, zvláště z hlediska hnacího mechanismu (lasery možná nahradí urychlovače těžkých iontů), pak může přinést další skokové zlepšení, uvidíme, jak si mezitím povede tokamak ITER.

Každopádně každý malý krůček na cestě k velkolepému cíli potěší.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..