Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 40 – vyšlo 16. prosince, ročník 20 (2022)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Ignition – zapálení termojaderné reakce dosaženo!

Karel Řezáč

Na začátku letošního roku jsme informovali (viz AB 4/2022) o úspěchu inerciálního udrženíInerciální fúze – uskutečnění fúze za pomoci setrvačnosti. Zpravidla jde o peletu (kapsli paliva v pevném stavu), na níž je namířeno velké množství laserů. Peleta se změní na plazma, v němž probíhá fúzní reakce tak dlouho, dokud plazma zůstává setrvačností v reakční oblasti. K největším zařízením pro laserem iniciovanou fúzi v současnosti patří systémy Gekko XII (Japonsko) a NIF (USA). Ke stavbě se připravuje evropský systém HiPER, jehož osud je značně nejasný. termojaderné fúzeTermojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium., při kterém bylo téměř dosaženo takzvaného zapáleníZážeh – zapálení, angl. ignition, stav, při němž je získaný výkon ve fúzním experimentu vyšší než dodaný. V laserové fúzi jde o stav, kdy je při implozi vyrovnána výkonová bilance v horké skvrně. Toto se dá ale většinou velmi špatně vyhodnotit. Proto v roce 1997 Národní akademie věd Spojených států amerických provedla revizi tohoto pojmu a zavedla jinou definici: Zážehu je dosaženo, pokud je energetický zisk roven alespoň jedné. V případě laserové fúze to znamená, že fúzní energetický zisk je větší nebo roven energii laseru. Energii laseru i energii, kterou vyprodukoval fúzní proces, dokážeme dobře změřit, proto takto definované zapálení (ignition) lze jednoduše vyhodnotit a prokázat.. Na závěr bulletinu jsme konstatovali, že se zatím nedařilo takový výjimečný experiment zopakovat. Přesto jsme zůstali optimističtí a věřili, že k zopakování, nebo dokonce překonání, jednou dojde. A opravdu, netrvalo ani celý rok a nový, rekordní výsledek byl dosažen!

V roce 1999 byla v Lawrencově národní laboratoři v Livermoru instalována
interakční komora pro inerciální fúzi. Zdroj: Damien Jemison, LLNL

NIF – National Ignition Facility, v současné době (2022) největší laserový systém, který se nachází v Lawrencově národní laboratoři v Livermoru (LLNL), v americké Kalifornii. Jedná se o zařízení, které bylo vybudováno v letech 1997 až 2009 pro výzkum termojaderné fúze pomocí takzvaného inerciálního udržení. Svého času byl NIF největší, míněno v objemu získaných financí, vědecký projekt v USA. Skládá se ze 192 laserových svazků o celkové energii 1,9 MJ (optické, na třetí harmonické), experimentální komory o průměru 10 m s mnoha diagnostickými přístroji (více než 120) a podpůrnými subsystémy (například ~400 MJ kondenzátorová baterie pro zesilovače laserů).

LLNL – Lawrence Livermore National Laboratory, slavná laboratoř patřící Kalifornské univerzitě. Založena byla v roce 1952. Jedním ze základních cílů bylo zajištění jaderné bezpečnosti USA. Dnes se podílí na experimentech z mnoha vědních oborů.

Inerciální fúze – uskutečnění fúze za pomoci setrvačnosti. Zpravidla jde o peletu (kapsli paliva v pevném stavu), na níž je namířeno velké množství laserů. Peleta se změní na plazma, v němž probíhá fúzní reakce tak dlouho, dokud plazma zůstává setrvačností v reakční oblasti. K největším zařízením pro laserem iniciovanou fúzi v současnosti patří systémy Gekko XII (Japonsko) a NIF (USA). Ke stavbě se připravuje evropský systém HiPER, jehož osud je značně nejasný.

Termojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium.

Zážeh – zapálení, angl. ignition, stav, při němž je získaný výkon ve fúzním experimentu vyšší než dodaný. V laserové fúzi jde o stav, kdy je při implozi vyrovnána výkonová bilance v horké skvrně. Toto se dá ale většinou velmi špatně vyhodnotit. Proto v roce 1997 Národní akademie věd Spojených států amerických provedla revizi tohoto pojmu a zavedla jinou definici: Zážehu je dosaženo, pokud je energetický zisk roven alespoň jedné. V případě laserové fúze to znamená, že fúzní energetický zisk je větší nebo roven energii laseru. Energii laseru i energii, kterou vyprodukoval fúzní proces, dokážeme dobře změřit, proto takto definované zapálení (ignition) lze jednoduše vyhodnotit a prokázat.

Zpráva z tiskové konference

V pondělí 12. prosince 2022 americké ministerstvo energetiky (DOEDOE – Department of Energy. Ministerstvo energetiky Spojených států.) a Národní úřad pro jadernou bezpečnost (National Nuclear Security Administration, NNSA) ohlásili v USA na další den tiskovou konferenci [2], kde chtěli oznámit významný vědecký objev v oblasti jaderné fúze. Nicméně tato informace již nebyla pro mnoho lidí překvapením, protože ještě předtím, v neděli 11. prosince, jako první informoval deník Financial Times o průlomu amerických vědců v oblasti fúzní energie. Další světové deníky následovaly a již uváděly některé hodnoty dosažené během experimentu. My jsme si ale počkali na oficiální tiskovou konferenci.

Na tiskové konferenci bylo oznámeno, že 5. prosince 2022 u kalifornského města Livermore v Lawrencově národní laboratoři (LLNLLLNL – Lawrence Livermore National Laboratory, slavná laboratoř patřící Kalifornské univerzitě. Založena byla v roce 1952. Jedním ze základních cílů bylo zajištění jaderné bezpečnosti USA. Dnes se podílí na experimentech z mnoha vědních oborů.) na největším laseru světa (NIFNIF – National Ignition Facility, v současné době (2022) největší laserový systém, který se nachází v Lawrencově národní laboratoři v Livermoru (LLNL), v americké Kalifornii. Jedná se o zařízení, které bylo vybudováno v letech 1997 až 2009 pro výzkum termojaderné fúze pomocí takzvaného inerciálního udržení. Svého času byl NIF největší, míněno v objemu získaných financí, vědecký projekt v USA. Skládá se ze 192 laserových svazků o celkové energii 1,9 MJ (optické, na třetí harmonické), experimentální komory o průměru 10 m s mnoha diagnostickými přístroji (více než 120) a podpůrnými subsystémy (například ~400 MJ kondenzátorová baterie pro zesilovače laserů).) se podařilo dosáhnout zapálení termonukleární fúze (tzn. ignitionZážeh – zapálení, angl. ignition, stav, při němž je získaný výkon ve fúzním experimentu vyšší než dodaný. V laserové fúzi jde o stav, kdy je při implozi vyrovnána výkonová bilance v horké skvrně. Toto se dá ale většinou velmi špatně vyhodnotit. Proto v roce 1997 Národní akademie věd Spojených států amerických provedla revizi tohoto pojmu a zavedla jinou definici: Zážehu je dosaženo, pokud je energetický zisk roven alespoň jedné. V případě laserové fúze to znamená, že fúzní energetický zisk je větší nebo roven energii laseru. Energii laseru i energii, kterou vyprodukoval fúzní proces, dokážeme dobře změřit, proto takto definované zapálení (ignition) lze jednoduše vyhodnotit a prokázat.). Tedy, dle definice vyprodukovat více energie z fúzeTermojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium., než kolik bylo zapotřebí energie v podobě laserového impulzu do experimentu dodat. Konkrétní oficiální hodnoty jsou: 2,05 MJ energie laseru oproti 3,15 MJ energie z fúzních reakcí [2], tj. poměr odpovídající přibližně 150 procentům. Tyto hodnoty se liší od těch neoficiálně uvedených před konferencí. Zde bychom mohli bulletin ukončit, protože každému fyzikovi nebo jen nadšenci pro fyziku, technikovi nebo energetikovi se rozbuší srdce, zrychlí dech a na nějakou dobu přestane vnímat okolí. Pojďme si přesto poodhalit, co se událo v období od posledního velice slibného experimentu z 8. srpna 2021 [1] do experimentu, kdy bylo dosaženo zapálení (5. prosince 2022).

Problémy s opakováním experimentů

Nejdříve je nutné dodat, že detailní informace k poslednímu rekordnímu experimentu nejsou a v krátké době ani hned tak nebudou k dispozici. Je to přeci jen necelé dva týdny od provedeného experimentu. Toto je pochopitelné, protože je třeba nejdříve precizně zpracovat experimentální data, dále sepsat vědecký článek, který pak musí projít recenzním řízením. Odkažme se tedy zatím na informace opublikované o něco dříve [3]. V článku je popsáno, že se nějakou dobu nedařilo zopakovat slibný experiment č. N210808 ze dne 8. srpna 2021. Vědecký tým proto přerušil experimenty na několik měsíců a zkoumal, proč během dalších čtyř experimentů dokázali, v porovnání s rekordním výsledkem, získat maximálně polovinu energetického výtěžku z fúzních reakcí. Výsledkem práce byla identifikace dvou hlavních překážek: (1) asymetrie imploze a (2) nedokonalost materiálu terčové kapsle znečišťující horkou fúzní skvrnu v závěrečné fázi imploze. Obojí vedlo ke ztrátě energie potřebné pro zapáleníZážeh – zapálení, angl. ignition, stav, při němž je získaný výkon ve fúzním experimentu vyšší než dodaný. V laserové fúzi jde o stav, kdy je při implozi vyrovnána výkonová bilance v horké skvrně. Toto se dá ale většinou velmi špatně vyhodnotit. Proto v roce 1997 Národní akademie věd Spojených států amerických provedla revizi tohoto pojmu a zavedla jinou definici: Zážehu je dosaženo, pokud je energetický zisk roven alespoň jedné. V případě laserové fúze to znamená, že fúzní energetický zisk je větší nebo roven energii laseru. Energii laseru i energii, kterou vyprodukoval fúzní proces, dokážeme dobře změřit, proto takto definované zapálení (ignition) lze jednoduše vyhodnotit a prokázat..

První problém (s asymetrií imploze) se podařilo vyřešit použitím o něco tlustší vrstvy kapsle s fúzním palivem. Horní vrstva (obal) byla nakonec vyrobena ze stejného materiálu (uhlík s vysokou hustotou – diamant), tentokráte však s tloušťkou větší o 8 %. Díky této změně se imploze stala tolerantnější k nedokonalostem povrchu a také se mohla zvýšit energie záření dopadajícího na kapsli.

Druhý problém (nedokonalost materiálu terčové kapsle) nebylo tak jednoduché vyřešit. Při úspěšném experimentu č. N210808 byla použita velmi kvalitní kapsle. Pro experimenty, které se snažily úspěch zopakovat, ale již nebyla k dispozici kapsle s tak dobrými parametry. Vědci proto kapsle zkoumali velmi podrobně, až zjistili, že implozi nejvíce ovlivňují povrchové díry, podpovrchové dutinky i kontaminující inkluze materiálu s vysokým protonovým číslem. Výroba předchozích kapslí se prováděla v několika krocích a jednotlivé kroky mohly být prováděny různými firmami nebo laboratořemi s různou kvalitou. Proto se v LLNLLLNL – Lawrence Livermore National Laboratory, slavná laboratoř patřící Kalifornské univerzitě. Založena byla v roce 1952. Jedním ze základních cílů bylo zajištění jaderné bezpečnosti USA. Dnes se podílí na experimentech z mnoha vědních oborů. rozhodlo o dočasném náhradním řešení, které znělo: Každá z firem nebo laboratoří udělá na kapsli práci, kterou umí nejlépe na světě. Výrobní cesta každé kapsle pak vypadala následovně: Lawrencova národní laboratoř LLNL (Livermore, USA) vyrobila diamantový plášť kapsle až po dopovanou vrstvu pomocí procesu zvaného chemické nanášení par v plazmatu. Poté byly kapsle odeslány do firmy Diamond Materials (Freiberg, Německo) k leštění a tvarování a k přidání vrstvy diamantu. Pak se vrátily zpět do Livermoru k vyčištění a potažení. Následně putovaly zpět do Německa na další diamantovou vrstvu a konečné leštění. Na finální fázi přípravy se kapsle poslaly do společnosti General Atomics (San Diego, USA), aby se určila jejich kvalita a připojily se malé plnicí trubičky, které se používají k vstřikování vodíkového paliva. Nakonec se vrátily do Livermoru, kde se vložily do duté komůrkyHohlraum – dutina, komůrka, jejíž stěny jsou v radiační rovnováze se zářivou energií uvnitř dutiny. Záření unikající z takovéto dutiny se bude blížit záření černého tělesa. V současné době se slovo „hohlraum“ nejčastěji používá v souvislosti s laserovými fúzními experimenty na principu nepřímého ohřevu, což je typické pro experimenty na zařízení National Ignition Facility (NIF). Do takovéto válcové komůrky s otvory v obou podstavách je umístěna kulová kapsle s fúzním palivem, která je ozářena rentgenovým zářením vznikajícím dopadem laserového záření na její vnitřní stěny. a připravila se celá sestava k experimentu.

Fotografie předzesilovače – počátek cesty svazku laserů na NIF. Zdroj: LLNL.

Experimenty, které vrátily NIF na cestu k zapálení termojaderné fúze

Důležitou změnou bylo také vylepšení laserů. Od září 2022 se podařilo zvýšit energii laseru z původních 1,92 MJ na 2,08 MJ. Šlo mimochodem o první experiment na NIFNIF – National Ignition Facility, v současné době (2022) největší laserový systém, který se nachází v Lawrencově národní laboratoři v Livermoru (LLNL), v americké Kalifornii. Jedná se o zařízení, které bylo vybudováno v letech 1997 až 2009 pro výzkum termojaderné fúze pomocí takzvaného inerciálního udržení. Svého času byl NIF největší, míněno v objemu získaných financí, vědecký projekt v USA. Skládá se ze 192 laserových svazků o celkové energii 1,9 MJ (optické, na třetí harmonické), experimentální komory o průměru 10 m s mnoha diagnostickými přístroji (více než 120) a podpůrnými subsystémy (například ~400 MJ kondenzátorová baterie pro zesilovače laserů)., v němž bylo dodáno terči pro fúzi se setrvačným udrženímInerciální fúze – uskutečnění fúze za pomoci setrvačnosti. Zpravidla jde o peletu (kapsli paliva v pevném stavu), na níž je namířeno velké množství laserů. Peleta se změní na plazma, v němž probíhá fúzní reakce tak dlouho, dokud plazma zůstává setrvačností v reakční oblasti. K největším zařízením pro laserem iniciovanou fúzi v současnosti patří systémy Gekko XII (Japonsko) a NIF (USA). Ke stavbě se připravuje evropský systém HiPER, jehož osud je značně nejasný. více než 2 MJ energie v ultrafialovém oboru. Tohoto zlepšení se dosáhlo přestavbou „optických“ linek (doručení svazku laseru). Jednalo se převážně o instalaci dodatečného stínění, které snížilo poškození optiky způsobené úlomky. Bylo také zlepšeno chlazení laseru a vylepšení se dočkaly i procesy skladování, čištění a koncepce provozu. Vědci očekávají, že s dalšími vylepšeními optiky a modernizací dosáhne NIF v příštím roce energie laseru 2,2 MJ a později v tomto desetiletí možná až 2,6 MJ nebo dokonce 3 MJ.

Po identifikaci a vyřešení problémů a zároveň se zvýšenou energií laseru, se podařilo 19. září 2022 téměř zopakovat (1,2 MJ fúzní energie) rekordní experiment č. N210808 (1,35 MJ). Následovaly pak další experimenty. Posledním prezentovaným je pak rekordní experiment z 5. prosince 2022.

Ilustrace dopadu laserových svazků uvnitř zařízení NIF. Laserové záření se uvnitř komůrky přemění na rentgenové, které pak stlačuje kapsli s palivem, dokud nedojde k její implozi a zapálení termojaderné fúze. Zdroj: LLNL.

Závěrem

Na závěr můžeme shrnout, že se podařilo během posledního roku identifikovat důvody, proč se nedařilo na zařízení NIFNIF – National Ignition Facility, v současné době (2022) největší laserový systém, který se nachází v Lawrencově národní laboratoři v Livermoru (LLNL), v americké Kalifornii. Jedná se o zařízení, které bylo vybudováno v letech 1997 až 2009 pro výzkum termojaderné fúze pomocí takzvaného inerciálního udržení. Svého času byl NIF největší, míněno v objemu získaných financí, vědecký projekt v USA. Skládá se ze 192 laserových svazků o celkové energii 1,9 MJ (optické, na třetí harmonické), experimentální komory o průměru 10 m s mnoha diagnostickými přístroji (více než 120) a podpůrnými subsystémy (například ~400 MJ kondenzátorová baterie pro zesilovače laserů). opakovat výjimečný experiment inerciálního udrženíInerciální fúze – uskutečnění fúze za pomoci setrvačnosti. Zpravidla jde o peletu (kapsli paliva v pevném stavu), na níž je namířeno velké množství laserů. Peleta se změní na plazma, v němž probíhá fúzní reakce tak dlouho, dokud plazma zůstává setrvačností v reakční oblasti. K největším zařízením pro laserem iniciovanou fúzi v současnosti patří systémy Gekko XII (Japonsko) a NIF (USA). Ke stavbě se připravuje evropský systém HiPER, jehož osud je značně nejasný. z 8. srpna 2021. Tyto důvody byly částečně odstraněny, později bylo provedeno několik dalších experimentů s podobnými výsledky (úspěšnost cca 50 %). Nejlepšího výsledku bylo dosaženo 5. prosince 2022, kdy byly překonány veškeré předchozí experimenty a bylo vyprodukováno 3,15 MJ fúzní energie za použití laserů o celkové energii 2,05 MJ, a tím bylo dosaženo zapáleníZážeh – zapálení, angl. ignition, stav, při němž je získaný výkon ve fúzním experimentu vyšší než dodaný. V laserové fúzi jde o stav, kdy je při implozi vyrovnána výkonová bilance v horké skvrně. Toto se dá ale většinou velmi špatně vyhodnotit. Proto v roce 1997 Národní akademie věd Spojených států amerických provedla revizi tohoto pojmu a zavedla jinou definici: Zážehu je dosaženo, pokud je energetický zisk roven alespoň jedné. V případě laserové fúze to znamená, že fúzní energetický zisk je větší nebo roven energii laseru. Energii laseru i energii, kterou vyprodukoval fúzní proces, dokážeme dobře změřit, proto takto definované zapálení (ignition) lze jednoduše vyhodnotit a prokázat. termojaderné fúze s účinností přibližně 150 %.

To ale neznamená, že se hned začne stavět fúzní elektrárna. Přeci jenom bych zatím nedoporučoval pálit na velké hromadě draze zakoupené dřevo, uhlí a podobná fosilní paliva. Ta se nám budou hodit ještě minimálně letošní a příští zimu, než se stabilizuje cena energií. Fúzní elektrárny stále zůstávají hudbou budoucnosti. Připomeňme si, že pro případ fúzní elektrárny založené na laserech (jako je třeba NIF) by bylo nejdříve ještě potřeba vyřešit několik problémů: (1) Abychom dosáhli vyrovnaného energetického poměru, tj. poměru energie z fúzních reakcí ku elektrické energii v kondenzátorové baterii, je třeba navýšit fúzní zisk zhruba 150×, nebo naproti tomu zvýšit účinnost přenosu energie do laseru. Ano, i přes výše uvedeném zlepšení laseru na zařízení NIF, je jeho účinnost převedení elektrické energie do světla laseru stále velice malá, zhruba na úrovni 0,65 %. (2) Nesmíme také zapomenout, jakým způsobem se vypočítává uváděná fúzní energie z D+T reakce: D + T → ⁴He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV). Je tedy třeba ještě počkat na podrobné výsledky posledního experimentu, nicméně předpokládejme, že postup výpočtu bude stejný jako doposud. Zde se fúzní zisk vypočítal jako součin počtu fúzních reakcí a hodnoty energie odpovídající hmotnostnímu schodku této reakce, tj. ΔQ = Δmc² = 17,9 MeV. Počet reakcí byl zjištěn pomocí měření počtu neutronů. Otázkou je, zda započítávat do energetického zisku také alfa částice, které se podílí na dohřevu horké skvrny (plazmatu) a nebudou se tedy plně podílet na ohřevu nějaké budoucí obálky celého reaktoru. Jedná se v poměru energií fúzních produktů jen o 1/4, tj. 25 %, nicméně i toto je nutné započítat. (3) Protože se jedná o fúzní reakci, která produkuje neutron (nenabitou částici), budoucí elektrárna by musela obsahovat klasický tepelný cyklus. Neutrony z fúzních reakcí by předávaly svou energii v této obálce, která by byla napojena na klasický tepelný cyklus, jehož účinnost se pohybuje v intervalu 30 až 50 %. (4) Tu nejzávažnější skutečnost jsme si nechali nakonec. Laserový systém NIF je experimentální zařízení, které dokáže provést dva experimenty za den. Pokud bychom chtěli vytvořit fúzní elektrárnu, bude zapotřebí provádět reakce s velkou opakovací frekvencí, tj. malou periodou i pod jednu sekundu. Toto si zatím nedovedeme představit. Nicméně čas, myšleno spíše jako vědecký a technický pokrok, nás již několikrát neuvěřitelně překvapil. Proto zůstaňme optimisty!

Odkazy