Přestože vědci ve výzkumu laserové fúze dosáhli velkých úspěchů, jak jsme psali zde nebo zde, k energetickému využití se laserová fúze přiblížila jen málo. Technologické problémy jsou při laserové fúzi tisíckrát větší než třeba u tokamaků. A to bez nadsázky. Jestliže u tokamaků dosahuje špičková tepelná zátěž první stěny 5 MW/m², v laserové fúzi může špičková zátěž této stěny překročit 100 GW/m² i více.

 

Inerciální udržení paliva spočívá v tom, že je palivo udrženo pohromadě pouze vlastní setrvačností. Palivo je šokově stlačeno na vysokou hustotu a jakmile tlak odezní, dojde k jeho rychlému rozptýlení. V závěru stlačování se v palivu spustí fúzní reakce, které pokračují až do okamžiku, než se palivo rozletí. Pro stlačení paliva je využit zákon zachování hybnosti. Pomocí silného energetického impulsu je odpařena vrchní vrstva palivové kapsle, označovaná jako ablační. Náplň kapsle je stlačena reakční silou, která při odpaření ablační vrstvy vznikne. Náplň lze přirovnat k raketě, které z trysek vylétá vysokou rychlostí plyn a raketa je přitom uvedena do pohybu opačným směrem.

 

Koncept inerciální fúze

 

 

Palivová kapsle laserové fúze. Kredit LLNL.

 

V základním schématu je palivová kapsle umístěna do středu sféry a jsou na ní z více stran zaměřeny laserové paprsky. Toto schéma se označuje jako přímý ohřev (direct drive).

 

Schéma přímého ohřevu

 

Cílem ozáření je pomocí energie laserů ohřát povrchovou vrstvu kapsle a jejím šokovým odpařením stlačit palivo uvnitř. Stlačení ale brání silné nestability vyvolané nehomogenním ohřevem povrchu kapsle. Omezené množství paprsků a nerovnoměrné rozložení výkonu v jejich příčném profilu vytváří na povrchu kapsle horká a chladná místa, ve kterých dochází k odpařování povrchové vrstvy různou rychlostí. To způsobuje nehomogenní stlačení paliva a je příčinou vzniku hydrodynamických nestabilit bránících dosažení cílové hustoty. Mezi hlavní nestability patří Rayleigh-Taylorova nestabilita, která vzniká na rozhraní dvou tekutin o různé hustotě. Hustší kapalina vlivem akcelerace proniká do řidší a vytváří tzv. Rayleigh-Taylorovy prsty, ve kterých dochází k úniku stlačovaného paliva.

 

Spuštění inerciální fúze přímým ohřevem

 

 

Vpravo rozvoj nestabilit v palivové kapsli při nehomogenním ohřevu

 

 

Hlavní výhody přímého ohřevu:

• přirozené schéma ohřevu.

 

Hlavní nevýhody přímého ohřevu:

• nutná dokonalá symetrie a hladký povrch kapsle,

• vysoké požadavky na plochost energetického profilu laserových paprsků,

• potřeba co nejvyššího počtu laserových paprsků,

• interakce laserových paprsků mezi sebou,

• principiálně nehomogenní ohřev,

• neúspěšné experimenty,

• není nijak prokázána realizovatelnost cíle.

 

Po neúspěšných pokusech dosáhnout inerciální fúzi přímým ohřevem byla hledána cesta, jak zlepšit homogenitu ohřevu povrchu palivové kapsle. Proto byl navržen koncept nepřímého ohřevu, který jde dál v napodobení procesů v termojaderných bombách a využívá pro ohřev palivové náplně rentgenové záření.

 

Spuštění inerciální fúze nepřímým ohřevem

 

Palivová kapsle je umístěna do malého dutého válečku, jehož úkolem je přeměnit laserové záření na rentgenové a toto záření homogenizovat. Váleček je označován německým slovem hohlraum (dutina) a v současnosti je vyráběn ze zlata a ochuzeného uranu. Zlato přeměňuje záření laserů na rentgenové a pouzdro z ochuzeného uranu poskytuje čas pro průběh celého procesu. Lasery jsou zaměřeny na vnitřní stranu hohlraumu a iniciují rentgenové záření. Záření se odráží od stěn hohlraumu, homogenizuje se, a přitom ohřívá ze všech stran povrch palivové kapsle. Protože povrch kapsle není ohříván lasery, označuje se tento koncept jako nepřímý ohřev (indirect drive).

 

Přínosem nepřímého ohřevu je vysoká homogenita ohřevu povrchu kapsle. Další procesy již probíhají shodně s přímým ohřevem. Šokově ohřátá povrchová ablační vrstva se odpaří a v souladu se zachováním hybnosti se vnitřek kapsle stlačí. Při stlačení je dosažena vysoká hustota a teplota paliva a spustí se fúzní reakce, které prohřejí palivo a tím zvýší četnost reakcí. Jakmile se částice paliva od sebe vzdálí, fúzní reakce přestanou probíhat.

Hohlraum a schéma nasměrování laserových paprsků

 

 

Hlavní výhody nepřímého ohřevu:

• homogenní ohřev,

• efektivnější absorpce energie ohřevu palivovou kapslí,

• prokázaná funkčnost,

• překročení Lawsonova kritéria vědeckého vyrovnání.

 

Hlavní nevýhody nepřímého ohřevu:

• vysoké ztráty energie laseru na odpaření hohlraumu,

• vysoká cena terče zahrnujícího kromě palivové kapsle hohlraum,

• rozptyl paprsků na střepinách hohlraumu v terčové komoře,

• transmutace prvků střepin hohlraumu v terčové komoře,

• extrémně náročné polohování terče s přesností na mikrometry,

• vysoký ztrátový výkon rentgenového záření.

 

Přes významný pokrok je laserová fúze stále ve fázi fyzikálního výzkumu. Úkolem výzkumu je především dosažení opakovatelnosti, protože zatímco uvolňovaná fúzní energie úspěšně roste, každý experiment vede k odlišným výsledkům. Náročné výzvy ale čekají také na straně techniky. Souvisejí především s explozivním průběhem fúzních reakcí (mikrovýbuchy) a s požadavkem kontinuálního uvolňování energie, které vyžaduje rychlé opakování mikrovýbuchů. Uvolnění veškeré energie proběhne přibližně za 2,5 µs, rentgenové záření je vyzářeno za 10 ns. Frekvence mikrovýbuchů by měla být alespoň 10 Hz.

 

Nejzávažnější technická výzva se týká samotných laserů. Dostupné lasery jsou buď slabé nebo pomalé. Laserový systém NIF je nejvýkonnějším laserovým systémem na světě a dokáže do terče dopravit přibližně 2 MJ energie. Jeho nabíjecí doba je přitom 8 hodin, přičemž obvykle je realizován nejvíce jeden výstřel za týden. Účinnost laseru je přitom menší než 1 %. Pro fúzní elektrárny by ale bylo podle dosavadních znalostí potřeba do terče dopravit až 5 MJ energie a frekvence výstřelů by měla být nejméně 10 Hz. Rozdíl mezi požadavky a schopnostmi laserů je propastný. V současnosti nelze laserové fúzní elektrárny ani plánovat, protože vhodné lasery o dostatečném výkonu a repetici výstřelů neexistují a v blízké budoucnosti existovat nebudou. Například lasery ELI v Dolních Břežanech mají energii v rozmezí 100 mJ – 1,5 kJ, tedy více než 1000krát menší, než je potřeba pro výzkum jaderné fúze.

 

Významným problémem je dále rozptyl laserových paprsků. V blízkosti terče dochází k přenosu energie mezi překříženými paprsky, který způsobuje jejich rozptyl a energetické ztráty. Při nepřímém ohřevu a vysoké frekvenci mikrovýbuchů budou rozptyl laserových paprsků způsobovat také střepiny hohlraumu ze zlata a ochuzeného uranu a z polohovací konstrukce rozptýlené v terčové komoře. Zlato přitom bude působením neutronů transmutovat na rtuť a uran na štěpitelné plutonium.

 

Zajímavým technologickým úkolem je vývoj mechanizmu automatického polohování hohlraumů, které budou muset být rychle dopraveny do terčové komory a s vysokou přesností orientovány vůči laserům s frekvencí nejméně 10 Hz. Hohlraum s palivovou kapslí proto musí za méně než desetinu sekundy překonat vzdálenost zhruba 10 metrů od stěny do středu komory a zde s přesností tisíciny milimetru (~1 µm) zaujmout přesnou polohu a orientaci. Extrémně přesné desetimetrové polohovací zařízení bude mikrovýbuchem zničeno a v desetině sekundy musí být nahrazeno novým. Tento úkol je natolik obtížný, že současné soukromé koncepty laserových elektráren raději navrhují nefunkční přímý ohřev.

##seznam_reklama##

 

Obtížně řešitelnou výzvou bude také konstrukce terčové komory, která bude vystavena fúzním mikrovýbuchům. Každý mikrovýbuch bude doprovázen tokem jader helia o vysoké kinetické energii, vysokoenergetických neutronů a silným rentgenovým zářením směřujícím radiálně od středu ke stěně komory. Na rozdíl od magnetické fúze nebudou jádra helia brzděna magnetickým polem a budou intenzivně poškozovat konstrukci reaktoru podobně jako fúzní neutrony. Destruktivní efekt jader helia a neutronů bude umocněn jejich koncentrací do časového intervalu přibližně 2,5 µs a cyklickým opakováním nejméně 10krát za sekundu. Špičkový výkon každého výboje dosáhne stovek TW a šokové zatížení vnitřního povrchu reaktorové nádoby desítek až stovek GW/m². Současně bude stěnu reaktoru zatěžovat silné ztrátové rentgenové záření, jehož výkon může dosáhnout podobných hodnot jako výkon částic. Šoková zátěž v řádu stovek GW/m² způsobí okamžitý rozpad krystalové mřížky a intenzivní sublimaci povrchové vrstvy stěny komory. Pokud by při jednom mikrovýbuchu sublimovala povrchová vrstva o tloušťce pouhých 0,7 µm, pak se masivní wolframová stěna komory o tloušťce 5 cm rozpadne po několika hodinách provozu reaktoru. Samostatnou kapitolou je degradace oken laserů. Poškození povrchu a struktury skla, jeho amortizace, radiační tmavnutí a transmutace prvků v krátké době zabrání průchodu laserů okny.

 

Několik jednoduchých výpočtů:

 

Orientační výpočet šokového zatížení konstrukce reaktoru jádry helia a neutrony

Elektrický výkon elektrárny (jako jeden blok jaderné elektrárny v Temelíně)	1	GW
Tepelný výkon reaktoru při účinnosti elektrárny 25%	4	GW
Potřebná energie mikrovýbuchu při frekvenci 10 Hz	400	MJ
Délka impulsu	2,5	µs
Výkon jader helia a neutronů	160	TW
Vnitřní povrch terčové komory o průměru 20 m	1256	m2
Hustota výkonu jader helia a neutronů na vnitřním povrchu reaktoru	127	GW/m2

 

 

Orientační výpočet šokového zatížení konstrukce reaktoru rentgenovým zářením

Energie vložená do hohlraumu	2	MJ
Energie vložená do palivové kapsle	250	kJ
Ztráta energie	1,75	MJ
Délka impulsu	10	ns
Ztrátový výkon	175	TW
Vnitřní povrch terčové komory o průměru 20 m	1256	m2
Hustota výkonu rentgenového záření na vnitřním povrchu reaktoru	139	GW/m2

 

 

Orientační výpočet životnosti wolframové první stěny reaktoru o tloušťce 5 cm

Hustota výkonu jader helia a neutronů na vnitřním povrchu reaktoru	127	GW/m2
Hustota výkonu jader helia (1/5 celkové hustoty výkonu)	25,5	GW/m2
Délka impulsu	2,5	µs
Latentní teplo sublimace wolframu	90,8	GJ/m3
Tloušťka sublimované vrstvy stěny při jednom mikrovýbuchu	0,7	µm
Doba sublimace celé stěny o tloušťce 5 cm	2	hod

 

 

Uvedené výzvy představují významné překážky integrace laserové fúze do energetiky a jejich řešení si vyžádá desítky let výzkumu a vývoje. Přitom každá z nich může být stopkou (showstopper), která si vyžádá významnou změnu koncepce reaktoru. Oproti tomu magnetická fúze má tuto etapu úspěšně za sebou a již probíhá inženýrská příprava výstavby prvních fúzních elektráren na bázi tokamaku.

 

Video: Jaderná fúze, budoucnost energetiky