Jak to bylo s nedávným zapálením inerciální fúze?  
Při inerciální fúzi probíhají v podstatě mikrotermojaderné exploze. V minulých dvou letech se na americkém zařízení NIF podařilo překročit hranice fúzního zapálení. Podívejme se, co to znamená pro cestu k termojaderným pohonům kosmických lodí.

O úspěšném výstřelu na americkém zařízení NIF (National Ignition Facility) v polovině roku 2021, kdy se podařilo dosáhnout podmínek daných Lawsonowým kritériem fúzního zapálení, jsme už na Oslovi psali. Při nich dojde k tomu, že se ve fúzních termojaderných reakcích produkuje alespoň takové množství energie, které se spotřebovává na jeho ohřev. V těchto dnech otiskl časopis Nature podrobný článek o cestě k tomuto klíčovému experimentu.

Připomeňme, že potřebné podmínky pro intenzivní průběh fúzních reakcí jsou dosažení odpovídající teploty plazmatu a potom součinu jeho hustoty a doby udržení. Tyto podmínky jsou různé pro jednotlivé možné fúzní reakce. Nejjednodušší je dosažení těchto podmínek pro reakci deuteria s tritiem. Teplota by se měla blížit a nejlépe i překročit hodnotu sto milionů stupňů celsia. Pro dosažení potřebného součinu hustoty plazmatu a doby udržení je možné využít jednu ze dvou cest.

 

Vnitřek vakuové komory NIF (zdroj NIF LLNL).

 

První je magnetické udržení, kdy se relativně nižší hustota plazmatu kompenzuje dlouho dobou jeho udržení. To je pak v řádu sekund, či dokonce desítek až stovek sekund. Známým příkladem magnetického udržení jsou magnetické pasti označované jako tokamaky, z nichž asi nejznámější je ITER budovaný ve francouzské Cadarache.

Druhou z cest je dosažení velmi vysoké hustoty plazmatu při tzv. inerciálním udržením. Ta dosahuje až hustoty olova. Doba udržení pak může být o moho řádů kratší, než jsou mikrosekundy. Stlačení se dosáhne izotropním ozářením kapičky s termojaderným palivem svazkem záření, zatím se nejčastěji využívá laser. Jde tak vlastně o mikroskopický termojaderný výbuch. A právě inerciální udržení plazmatu se studuje na zařízení NIF.

Podrobně jsou různé fúzní reakce, podmínky nutné pro dosažení fúze a využívaná zařízení i dosažené výsledky popsány v přehledovém článku na Oslovi. Je tam  popsán i současný stav výzkumu v této oblasti. Novinky a srovnání situace u současných velkých tokamaků a menších privátních zařízení, které se snaží o kombinaci magnetického a inerciálního udržení jsou popsány nedávném článku zde.

 

Schéma kapsule s palivem s vyznačením tloušťky ablační vrstvy a vnitřní části s palivem, schéma dutiny hohlraum a jejího ozáření laserovými svazky, graf ukazující průběh výkonu svazku a teploty hohlraum v čase (zdroj Nature, Vol 601, 27. 1. 2022).

 

Dosažení fúzního zapálení na zařízení NIF

Podívejme se tedy nyní podrobněji na to, čeho se podařilo dosáhnout na zařízení NIF. U tohoto zařízení se dosahuje inerciálního udržení pomocí ozáření malé kuličky zmrzlé směsi deuteria a tritia o velikosti zrnka pepře rozděleným velmi intenzivním svazkem mohutného laseru. Následná imploze palivo extrémně ohřeje a stlačí.


Laser zařízení NIF patří k těm největším. Jeho výkon je až 500 TW a dokáže během výstřelu dodat energii až 1,9 MJ. Doba udržení plazmatu je pak v řádu nanosekund. Původní svazek je rozdělen do 192, které v současné sestavě ozáří z přesně daných směrů zlatou dutinu označovanou jako hohlraum. Ta se tím zahřeje na extrémně vysokou teplotu a vyzařuje rentgenovské záření. Uvnitř hohlraum se vytvoří specifická lázeň rentgenovského záření, které velmi izotropním způsobem ozáří pepřovou kuličku se zmrzlým deuteriem a tritiem. Vytvoří se tak odpovídající co nejhomogennější geometrie jejího stlačení a průběhu imploze. V tomto směru funguje zatím takové nepřímé ozáření mnohem lépe, než je možné dosáhnout přímým ozářením světlem laseru.


Vnější ablační vrstva kapsule s palivem pohltí zhruba 10 – 15 % rentgenovského záření, ohřeje se, vypaří a přemění na plazma, které vyvine tlak v řádu až 10 TPa. Rozběhne se tak imploze, která vytvoří rázovou vlnu s rychlostí i 350 až 400 km/s. Dominantní část rentgenovského záření 92 až 95 % se v ablační vrstvě spotřebuje na iniciaci a realizaci imploze a rázové vlny, pouze okolo 10 až 20 kJ dostane malinký objem paliva uvnitř stlačeného zrnka. Zde tak na vrcholu imploze dosáhne tlak hodnoty v řádu až 100 TPa. Hmotnost paliva v zrnku je okolo 200 mikrogramů, Z toho pouze okolo 20 až 30 mikrogramů se na konci imploze nachází v extrémně hustém a horkém nitru. Při dosažení tepelné rovnováhy se dosahuje teplota okolo 50 milionů stupňů celsia. Tím se vytvoří podmínky pro zapálení fúzních reakcí, které následně teplotu ještě dále zvýší.


Při fúzní reakci deuteria a tritia, ve které vzniká hélium 4, tedy částice alfa, a neutron, se uvolňuje značná energie. Čistě z kinematiky plyne, že při fúzní reakci deuteria s tritiem získá z celkové produkované energie 17,6 MeV vzniklá částice alfa 3,5 MeV a neutron si odnese 14.1 MeV. Neutrony nemají elektrický náboj a opouštějí plazma bez toho, aby mu svou energii předaly, k jeho ohřevu tak přispívá pouze vzniklé helium. Můžeme tak uvádět dvě různé veličiny pro charakterizaci energie uvolněné při fúzi a stupně dosažení podmínek fúzního zapálení. První je poměr mezi celkovou uvolněnou energií ve fúzi a energií, která byla plazmatu dodána. Označuje se jako Q. Druhou je poměr mezi energií, kterou ve fúzi získala heliová jádra ohřívající plazma, a celkovou energií. Označuje se jako Qα.


V případě tokamaků je zatím maximální reálně získaná hodnota Q = 0,67 a Qα = 0,13. Byla získána na tokamaku JET při experimentech v devadesátých letech, kdy pracoval se směsí deuteria a tritia. Je třeba připomenout, že dominantní část tokamaků, i těch které dosáhly vyšší kvality plazmatu, nepracuje s deuteriem a tritiem. V případě zařízení ITER by mělo být dosahováno hodnot Q = 10 a Qα = 2.

 

Zobrazení dosažených podmínek při různých výstřelech realizovaných s pomocí různých metod využívaných pro dosažení izotropie ozářená zrnka s palivem, jde o tlak a energii dodanou palivu. Je vidět, že poslední čtyři výstřely se dramaticky posunuly ve směru splnění podmínek pro fúzní zapálení. Označení výstřelu je NRRMMDD. (Zdroj Nature, Vol 601, 27. 1. 2022).

 

Rekordní výstřely na NIF

Po roce 2014 se v experimentech se zrnky, jejichž vnitřní průměr oblasti s palivem byl 0,91 až 0,95 mm, dařilo postupně zlepšovat podmínky ozařování laserovými svazky. Nakonec se ve fúzi podařilo z paliva dostat energii i 50 kJ. Další zlepšení podmínek uvnitř hohlraum, které umožnily zvýšit izotropii ozařování kapsule s palivem. V posledních dvou letech se tak podařily čtyři výstřely, u nichž se tak realizovalo překročení podmínek pro fúzní zapálení, a nakonec dosáhnout až fúzní energii 170 kJ. Alfa částice tak získaly až 34 kJ. Hodnota Qα překročila až 2,5.


Dosažené parametry se podařilo ověřit příslušnou diagnostikou, která je uvnitř vakuové nádoby, ve kterých mikrotermojaderná exploze probíhá. Měření uváděných parametrů je pochopitelně nepřímé a do jisté míry modelově závislé. Příslušné metody a vznikající nejistoty jsou v publikaci podrobně popsány. V každém případě je však jisté, že se podařilo dosáhnout dramatického průlomu.


Ještě větší zlom se podařil při výstřelu 8. srpna 2021, kdy se podařilo ve fúzi uvolnit energii 1,3 MJ, což je téměř o řád více, než bylo dosaženo ve zmíněných čtyřech předchozích výstřelech. Tento úspěch se realizoval v době finalizace článku pro Nature a jeho přesný popis a interpretace bude tématem teprve připravované publikace.

 

Na grafech je nalevo zobrazena energie KEfuel, která byla dodána přímo palivu, a energie Eα, která byla předána z fúze alfa částicím. U výstřelů nad čárkovanou přímkou se dosáhlo podmínek, kde by energie fúzních částic alfa stačila k ohřevu plazmatu. Na je pro konkrétní výstřely zobrazena hodnota veličiny Qα = Eα/ KEfuel. Označení výstřelu je NRRMMDD. (Zdroj Nature, Vol 601, 27. 1. 2022).

 

Závěr

Jak je vidět, zveřejněný článek nepopisuje podrobnosti o srpnovém výstřelu, který vzbudil tak velký ohlas na konci minulého roku. Není tak jisté, čím přesně se podařilo energii produkovanou ve fúzi téměř o řád zvýšit oproti čtyřem velmi úspěšným výstřelům z přelomu let 2020 a 2021. Nelze tak říci, jestli bylo klíčové zvýšení množství energie, které se podařilo do zrnka s palivem dostat nebo zvýšení teploty a hustoty vzniklého plazmatu. Ovšem je zřejmé, že alespoň podmínky, které umožňují překonání hodnoty Q potřebné pro fúzní zapálení, se daří dosahovat standardně a daří se je i značně překonávat, jak potvrzuje výstřel z 8. srpna 2021. To je opravdu příslib budoucího dramatického posunu v této oblasti.

Studovat vlastnosti plazmatu a dosažení podmínek potřebných pro udržitelnou produkci fúzní energie v případě magnetického udržení, lze i bez využívání paliva v podobě deuteria a tritia. Naopak při studiu inerciálního udržení se musí pracovat přímo s palivem. Nyní je jasné, že se na inerciálním zařízení NIF řádově překonala hodnota veličiny Q, které se podařilo dosáhnout na evropském tokamaku JET. V principu se zde pohybujeme v oblasti hodnot této veličiny, které by měly být dosahovány na tokamaku ITER.


Na druhé straně je však třeba zdůraznit jeden důležitý aspekt ukazující na to, proč jsou inerciální zařízení v cestě za termojadernou elektrárnou pořád velmi pozadu za tokamaky. Jak je vidět i z našeho rozboru, výstřely s velmi malým objemem plazmatu je možné na inerciálním zařízení opakovat jen s velmi malou frekvencí. V reálném fúzním reaktoru by se musely opakovat desetkrát za sekundu. U tokamaků se na různých zařízeních daří realizovat rekordní experimenty relativně často a práce tokamaku může mít mnohem blíže ke kontinuální a standardní činnosti. I tak jsou však poslední výsledky na zařízení NIF velmi pozitivním příslibem pro budoucí vývoj mezihvězdných termojaderných pohonů.

 

O dané problematice jsem měl nedávno přednášku pro jičínskou hvězdárnu:

Datum: 30.01.2022
Tisk článku

Související články:

Předběhla opravdu australská HB11 ostatní fúzní zařízení?     Autor: Vladimír Wagner (04.04.2022)
HB11 hlásí pokrok v laserové vodík-bórové fúzi     Autor: Stanislav Mihulka (02.04.2022)
Nové výsledky reálných fúzních experimentů na tokamaku JET     Autor: Vladimír Wagner (09.02.2022)
Čerstvý rekord tokamaku EAST: plazma 70 milionů °C na 17 minut     Autor: Stanislav Mihulka (06.01.2022)
Předstihnou soukromá fúzní zařízení ITER?     Autor: Vladimír Wagner (12.12.2021)



Diskuze:

Jadrové zbrane

Daniel Slovák,2022-02-03 09:59:18

Pán Wagner, napíšte prosím ako sa tieto výsledky odrazia v dizajne jadrových zbranì. Pretože to je cieľ, nie kozmické motory ani elektráreň, ale zmenšené vodíkové bomby bez plutóniovej "rozbušky" .

Odpovědět


Re: Jadrové zbrane

Z Z,2022-02-03 13:18:40

No, velikánske lasery so zdrojom elektriny namiesto trošky uránu alebo plutónia, to nevyzerá ako perspektívny smer výskumu miniaturizácie termonukleárnych bômb.

Odpovědět


Re: Jadrové zbrane

Vladimír Wagner,2022-02-03 16:43:36

Pane Slováku, přínos programu NIF pro termojaderný vojenský výzkum není v tom, že by se využívaly konkrétní technologie zde uplatňované. Přispívá se tím, že průběh termojaderné mikroexploze a chování plazmatu se popisuje stejnými simulačními programy a lze je tak pomocí tohoto výzkumu ověřovat a vylepšovat.

Odpovědět

Otázka

Vladimír Bzdušek,2022-02-01 22:47:59

Ak sa vyrieši výkon a fokusácia laseru, a tiež frekvencia výstrelov, čo je celkom predstaviteľné, existuje nejaká technologická predstava, ako manipulovať s dodávkou palivových zrniek tak aby explózia prvého nezničila nasledujúce? Predpokladám, že terajšie experimenty sa robia zatiaľ s jediným terčíkom. A ešte druhá vec: ITER bude mať už slušný výkon, nevraviac o budúcich generáciách s GW produkciou tepla. Ako sa predpokladá chladenie a odber tepla a vôbec prestup takého výkonu cez stenu/plochu zariadenia?

Odpovědět

Drahé zařízení

Petr V,2022-02-01 20:12:42

Jde vidět že používají AI strojové učení. Každé fúzní zařízení je potřeba vyladit tak, aby plazma bylo ustálené. Jak to dělají tady, u tae
Com, helionenergy se můžeme jen domnívat. U ITER to bude diky tvaru plazmy obtížné.
Nejjednodušší je z tohoto důvodu FRC.

Odpovědět

proč jsou inerciální zařízení v cestě za termojadernou elektrárnou pořád velmi pozadu za tokamaky

Z Z,2022-01-30 22:18:30

No, na https://cs.wikipedia.org/wiki/ITER je, že prvá produkcia elektrickej energie má na báze tohoto drahého projektu nastať v 2051.
Ak sú aj vraj "veľmi pozadu" tak je asi veľmi veľa čas do 2051 aby bol ITER predbehnutý inou viac odlišnejšou technológiou, ten je z dojmu z článku asi "najbližšie", a aj ten rok 2051 je optimistický z prostredia samotného projektu.

Odpovědět

Co se týče využití pro kosmické pohony,

Pavel Nedbal,2022-01-30 21:09:15

tam bych doporučil oplach studenou vodou. I kdyby nakrásně laserová fúze spolehlivě běžela, nedokážeme ji usměrnit jako reakční látku (ani magnetická pole nám moc nepomohou), nadto by tavila vše v okolí. A nejpodstatnější - většina energie je soustředěna v neutronech, a ty se nám tam ale vůbec nehodí. Možná časem aneutronická fúze. Ale základem kosmického pohonu je vysoká výtoková rychlost reakční látky - produktů reakce. Všechny jaderné reakce jsou ale nesměrové.
Ale pokud by se podařilo udělat dobrou bilanci mezi příkonem laserů a výkonem fúze v nějaké kulové komoře s výrobou el energie, třeba přes klasický parní okruh, tak bych s tím neměl problém. A ať si to vesele konkuruje s tokamaky

Odpovědět


Re: Co se týče využití pro kosmické pohony,

Vladimír Wagner,2022-01-30 21:41:15

Pane Nedbale, v případě využití raketového motoru na principu fúze by se uspořádaní pohybu kosmické lodě realizovalo stejně jako u současných chemických raketových motorů nebo u tepelných raketových motorů využívajících štěpné reaktory. Ve všech těchto případech se využívají vysoké teploty a chaotický pohyb, který tam vzniká. A na rozdíl od vás se mi nezdá, že by současné raketové motory využívající chaotický pohyb vznikající vysokou teplotou nefungovaly.
Ani v raketových motorech nemáte nabité částice a ani v případě fúze nemusí být vznikající neutrony pro činnost pulsního tepelného raketového motoru problémem. Na druhé straně se (ale z jiných důvodů, než že by bránily fungování pohonu) v případě vesmírných pohonů počítá s využitím reakce helia 3 a deuteria.

Odpovědět


Re: Co se týče využití pro kosmické pohony,

Z Z,2022-01-30 21:43:48

Možno keby boli tie guličky "odpaľované" vo vákuu za loďou a lasery symetricky v kružnici okolo, z popisu myslím, že by mala byť symetria laserov, asi stačí kruhová a nemusí byť guľová. A zadná časť lode taká, aby pohltila čo najviac energie a súčasne sa neroztavila...

Odpovědět


Re: Re: Co se týče využití pro kosmické pohony,

Oldřich Vašíček st.,2022-01-31 22:24:50

Bohužel. Velké ztráty jsou právě z nesymetrie. Proto se používá jeden laser rozdělený na mnoho paprsků. Při nesymetrii se ztrácí velká část paliva v rozptylu.
Jako pohon s tím není problém. Samotná jaderná (fúzní) exploze je pěkná a uvolní hodně energie ve formě záření, ale na pohon je nutný usměrněný proud nejlépe s nějakou hybností. Proto předpokládám, že tento výbuch předá svoji energii nějaké pracovní látce (která pohltí energii ze záření). Stejně tak se projektovaly raketové pohony se štěpným reaktorem. Štěpná reakce ohřívala pracovní látku.

Odpovědět


Re: Re: Re: Co se týče využití pro kosmické pohony,

Z Z,2022-01-31 22:55:51

"Proto se používá jeden laser rozdělený na mnoho paprsků."

No a je principiálne nemožné použiť jeden laser rozdelený na veľa lúčov kruhovo symetrických na guličku paliva tesne za loďou?
Síce by sa pritom veľká časť energie nevyužila, no zase by to umožnilo dať lodi poriadne zrýchlenie, lebo by sa dal použiť oveľa vyšší výkon, než len keď nastáva obyčajné zohriatie vo vnútri lode, kde by bol výkon obmedzený na to, aby sa pohon neroztavil.
Taký výbuch tesne za loďou by už odovzdal lodi poriadnu hybnosť.
Už treba len domyslieť "drobný technický detail", aby sa gulička nachádzala v správny čas na správnom mieste.

Odpovědět

Sovnávání nesrovnatelného

Jan Novák9,2022-01-30 20:17:46

Pro výzkum plazmy a fúze je OK srovnávat Q.
Q je ovšem úplně k ničemu pro účely využití fúze. Je třeba srovnávat ne energii dodanou plazmě ale celkovou spotřebovanou energii s celkově získaným výkonem, a to je rozdílné pro laser a pro tokamak. Laser je velice špatná konverze energie.

"NIF device consumed 400 megajoules of energy and produced 1.3 megajoules.

Overlooking the input energy consumed, Reuters implied that the experiments produced a useful but small amount of energy: “The energy produced was modest — about the equivalent of nine nine-volt batteries of the kind that power smoke detectors and other small devices.”

These experiments lost 99.7 percent of the energy that the overall system consumed. They lasted for only a billionth of second. "

Odpovědět


Re: Sovnávání nesrovnatelného

Z Z,2022-01-30 21:31:07

No ale porovnávať fázu pokusov s fázou, keď to možno bude využiteľné na produkciu energie nemá zmysel.
Vtedy by mali lasery, iné zariadenia a ďalšie veci iné parametre.
To môžete pri takýchto pokusoch podobne zahrnúť aj energiu na stavbu budov, na osvetlenie, na palivo áut dochádzajúcich pracovníkov...

Odpovědět


Re: Re: Sovnávání nesrovnatelného

Josef Hrncirik,2022-01-31 08:52:18

Při určování uhlíkové stopy, je ale nutno bilancovat proporcionálně přes celý životní cyklus všech spolupachatelů.

Odpovědět


Re: Re: Re: Sovnávání nesrovnatelného

Z Z,2022-01-31 09:29:22

Aby im do toho ešte nezačal frflať princ Wiliam, že míňaním energie na tieto potenciálne vesmírne záležitosti vyvolávajú "klimatickú úzkosť".

https://www.idnes.cz/zpravy/revue/spolecnost/princ-william-kritika-lety-do-vesmiru-zeme-zachrana-zivotni-prostredi-ekologie.A211014_124800_lidicky_zar

Odpovědět


Re: Re: Sovnávání nesrovnatelného

Jan Novák9,2022-01-31 12:47:18

To byste měl pravdu, kdyby ovšem novináři nejásali nad "Průlomem ve využití praktické fúze" a politikové velící (ale naprosto nerozumící) průmyslu na základě toho nevypínali elektrárny.

My totiž ty lasery, jiné zařízení a další (dosud ani v konceptu neexistující) věci totiž ještě nemáme a ani nevíme kdy (a zda) je mít budeme. Kdybyste to náhodou nevěděl. Přesto se v Británii chystají v roce 2024 začít stavět fúzní elektrárnu. Jenom ještě neví na jakém principu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Sovnávání nesrovnatelného

Z Z,2022-01-31 17:21:27

Možno Británia zase sfúzuje s EÚ :-)

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku








Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace