Terč tvořený hohlraumem a palivovou kapslí (kredit LLNL)

National Ignition Facility (NIF) v Kalifornii je nejvýkonnější laserové zařízení na světě, ve kterém probíhá výzkum termojaderné fúze s inerciálním udržením paliva. Zařízení disponuje 192 lasery o celkovém výkonu až 500 terawattů (TW). Jde o vojenské zařízení, jehož hlavním úkolem je vývoj jaderných zbraní bez provádění jaderných zkoušek. Část provozního času je ale vyhrazena pro výzkum jaderné fúze.

Výstavba NIF začala v roce 1997 a byla dokončena v roce 2009. Náklady byly oproti původnímu rozpočtu čtyřnásobné. Po zprovoznění hlavních technologií se vědci zaměřili na instalaci, kvalifikaci a integraci pokročilých nadstavbových systémů a vědeckých platforem. Experimenty související s jadernou fúzí byly zahájeny v roce 2011 a soustředily se na nepřímé zapálení fúzních reakcí v deuterium-tritiovém palivu.

Energetický tok NIF při fúzních experimentech (kredit LLNL)

Při nepřímém zapálení je palivová kapsle o velikosti zrnka pepře umístěná v malém válečku, tzv. hohlraumu. Lasery nejsou zaměřeny na palivovou kapsli, ale na vnitřní stěnu hohlraumu. Důvodem je, že při přímém působení laserů je palivová kapsle ohřívána nerovnoměrně a palivo je proto obtížné stlačit. Naopak, když lasery zasáhnou hohlraum, vzniká intenzivní rentgenové záření, které vyplní hohlraum a homogenně zahřeje celý povrch kapsle. Povrch kapsle se odpaří a přitom dojde ke stlačení paliva uvnitř. Vytvoří se tím extrémní podmínky, jaké panují v jádru hvězd. Při posledních experimentech bylo dosaženo tlaku přes 600 miliard atmosfér. Fúzní reakce pak proběhne dříve, než se palivo rozptýlí. Po celou dobu reakce je drženo vlastní setrvačností, a proto se tento mechanizmus označuje jako inerciální udržení paliva.

Po jedenácti letech náročného výzkumu se 4. prosince 2022 podařilo vědcům v NIF jako prvním na světě splnit Lawsonovo kritérium vědeckého vyrovnání. Toto kritérium požaduje, aby energie uvolněná při fúzní reakci překonala energii, kterou do paliva dodají vnější systémy. V historickém experimentu N221204 vědci dodali do terče 2,05 megajoulů (MJ) laserové energie a jadernou fúzí se uvolnilo 3,15 MJ energie. Vložená energie byla více než 1,5krát zesílena. K průlomu došlo díky zdokonalení laserů, optiky, terčů a diagnostiky na základě modelování a pokročilých simulací probíhajících procesů. Podrobný popis experimentu naleznete zde. Velmi důležité je, že se tento úspěch podařilo mnohokrát zopakovat a dokonce překonat:

• 30. července 2023: Lasery dodaly do terče 2,05 MJ energie a uvolnily 3,88 MJ fúzní energie. To znamená, že zesílení vložené energie dosáhlo 1,89.

• 8. října 2023: Do terče bylo dodáno 1,9 MJ energie a získáno 2,4 MJ fúzní energie, se zesílením 1,26.

• 30. října 2023: Nový rekord v dodané energii 2,2 MJ přinesl výtěžek 3,4 MJ při zesílení 1,55.

• 12. února 2024: Lasery opět dodaly 2,2 MJ, ale tentokrát bylo uvolněno rekordní množství energie 5,2 MJ, více než dvojnásobek vstupní energie se zesílením 2,36.

• 18. listopadu 2024: Při vložené energii 2,05 MJ bylo po šesté překonáno Lawsonovo kritérium s výtěžkem 4,1 MJ při zesílení 2,0.

• 23. února 2025: Při dodání energie 2,05 MJ lasery uvolnily 5,0 MJ fúzní energie při zesílení 2,44.

• 7. dubna 2025: Byl dosažen nový rekord - při výkonu laserů 456 TW a energii dodané do terče 2,08 MJ se uvolnila fúzní energie 8,6 MJ, více než čtyřnásobek vložené energie, se zesílením 4,13.

Fúzní experimenty NIF splňující Lawsonovo kritérium (kredit LLNL)

Dosažení jaderné fúze pomocí laserů bylo dlouhou dobu neúspěšné, avšak každý nový experiment přinášel cenné poznatky. Díky nim mohli vědci zpřesňovat simulace, vylepšovat laserovou techniku a zdokonalovat konstrukci terče. Splnění Lawsonova kritéria znamenalo bezprecedentní úspěch, který výzkum jaderné fúze s inerciálním udržením paliva posunul vpřed a vyvrátil pochybnosti o realizovatelnosti laserové fúze.

Souhrn dosažených výsledků NIF (kredit ÚFP)

Současný výzkum je zaměřen na vývoj konstrukce hohlraumu a palivové kapsle, které rozhodují o tom, jak efektivně se využije energie laserů. Rozvíjí se také metody, kterými vědci sledují a měří děje probíhající v terči. Důležitou roli budou hrát 3D simulace, které pomohou lépe pochopit, jak nehomogenita laserových paprsků, asymetrie hohlraumu, nedokonalosti povrchu a stěny hohlraumu a palivové kapsle, nebo hydrodynamické nestability paliva v kapsli ovlivňují celý proces. Velký prostor dostane využití umělé inteligence a technik hlubokého učení, které vědcům pomohou přesněji plánovat experimenty a optimalizovat je.

Přes výrazné úspěchy je laserová fúze stále ve fázi fyzikálního výzkumu. Technologické výzvy spojené s integrací laserových fúzních reaktorů do energetických zařízení jsou natolik komplexní a náročné, že nelze očekávat jejich vyřešení v blízké ani střednědobé perspektivě. Zahrnují především výrazné zvýšení výkonu, rychlosti a účinnosti laserových systémů, vyřešení automatického polohování terčů nebo dosažení dostatečné odolnosti konstrukce reaktoru vůči cyklické extrémně vysoké radiační a tepelné zátěži.

Video: Jaderná fúze, budoucnost energetiky

Video: Lawsonovo kritérium – základ energetického využití jaderné fúze

Video: Pokroky ve výzkumu energetického využití jaderné fúze