Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 381

Inerciální udržení – lasery a urychlovače

Fúzí při magnetickém udržení (tokamaky a stelarátory) jsme se zabývali podrobně již mnohokrát. Všimněme si udržení inerciálního, které s nepatrnou nepřesností můžeme zaměnit za laserovou fúzi. V roce 1963 sovětští vědci N. G. Basov a O. N. Krochin navrhli použití laseru k zapálení řízené termonukleární reakce. Šedesátá a zejména sedmdesátá léta se nesla ve znamení zkoušek ozařování terčíku termojaderného paliva většími a většími výkony laserů se stále sofistikovanějšími tvary ozařovacích pulzů především v Sovětském svazu a ve Spojených státech. V současné době, je nejvýkonnějším laserovým systémem na světě Národní zapalovací zařízení (NIF, National Ignition Facility) v Livermore Lawrence National Laboratory (LLNL). NIF disponuje 192 paprsky, které v jednom okamžiku ozáří terčík fúzního paliva, stlačí (dojde k implozi) a ohřejí ho energií 2 MJ.

Fotogalerie (1)
Schéma fúzní reakce jader deuteria a tritia, která po sobě zanechá jádro helia (alfa částici) a neutron. Pohybová energie neutronu je připravena k přeměně na elektrickou energii. Pohybová energie alfa částic ohřívá palivové plazma. (Credit © ITER Organiza

Nepřímé zapálení terčíku

Imploze je složitý proces a zahrnuje několik etap. Terčík, plastová koule obsahující palivo – zmražené deuterium a tritium na její vnitřní ploše - má velikost přibližně zrnka pepře a je umístěna ve středu zlatého válce o délce asi jednoho centimetru nazývaného hohlraum (německy „dutina“). Laserové paprsky procházejí skrze dva otvory, jeden na každém konci hohlraumu, takže světlo dopadá na vnitřní stěnu válce, nikoliv přímo na povrch terčíku. Svazky ohřívají hohlraumový materiál na vysokou teplotu tak, až emituje rentgenové záření, které pak dopadá na povrch terčíku. Plastová svrchní část terčíku exploduje a odlétá pryč od kapsle a podle zákona akce a reakce žene zbytek stěny kapsle a s ní i palivo na ní opačným směrem, to je do středu terčíku rychlostí několika stovek kilometrů za sekundu. Totéž se děje z druhého konce.

Pokud se podaří zachovat symetrii, palivo se stlačí do kuličky o teplotě 50 milionů stupňů a o hustotě stokrát větší než má olovo. Podle teorie by za těchto podmínek mělo začít fúzní hoření v hotspotu (horké tečce) ve středu této koule a pak se šířit ven a postupně zapálit veškeré palivo. Pomáhá alfa-ohřev, kde částice alfa, které jsou produktem reakce fúze, se rozlétají s vysokou energií a při srážkách ohřívají palivo a pomáhají tak šířit ohnivou stěnu ze středu kapsle k jejímu povrchu.

Jenže to nefunguje

Po spuštění NIF v roce 2009 se výzkumníci pustili do tříleté kampaně s cílem dosáhnout zapálení, ale neúspěšně, což platí i dnes. Počítačové simulace, na něž se tým NIF spoléhal při navrhování svých experimentů, mu předpovídaly, že by měl dosáhnout zapálení. To se však nepodařilo. Nevystihující simulace byly pochopitelně málo užitečné při zjišťování, v čem je problém a jak ho vyřešit. Během několika let identifikovaly experimenty řadu problémů:

  • materiál odražený z hohlraumové stěny rozptyloval světlo vstupujících laserových paprsků, což způsobilo ztrátu energie;
  • palivová kapsle se nesmršťovala symetricky, což vedlo spíše k tvaru koblihy než k přesné kouli;
  • funkční složky v hohlraumu, jako je trubice pro vložení paliva a membrána, která drží kapsli na svém místě, narušovaly symetrii;
  • nestabilita v plazmatu během implozí způsobila turbulenci na jeho okraji, mícháním obalového materiálu do paliva a mícháním chladného vnějšího paliva do hotspotu snižovala jeho teplotu.

Vědci NIF zkoušeli různé přístupy, aby se přiblížili podmínkám vznícení. Změnili tvar laserového impulsu, který začíná na nízké úrovni a ta se pak na konci kvůli zapálení zvětšuje. Tím, že zvolili poněkud vyšší výkon, aby rychleji dosáhli imploze, zlepšili kompresi paliva, ale za cenu zhoršené symetrie. Symetrii pak zlepšili snížením tlaku plynu uvnitř hohlraumu a použitím tenčí trubice pro palivo. Záměna materiálu povrchu terčíku z plastu za diamant zlepšila výkonnost a tým dnes experimentuje s různými velikostmi a tvary hohlraumu, jako je například tvar ragbyového míče.

Lepší, ale na elektrárnu to nestačí

Tyto změny vedly k 40-násobnému zlepšení výtěžku z fúze - měřeného počtem uvolněných neutronů - od roku 2012. Omar Hurricane, vedoucí vědec programu ICF v Livermore, říká: „Naše ambice ustupují od režimu hořícího plazmatu“. Termín hořící plazma označuje situaci, kdy fúzní reakce poskytují většinu nebo všechno teplo potřebné pro udržení hoření. NIF může v současné době uskutečnit zhruba jeden výstřel za den. Výzkumníci však spočítali, že pokud by se stejný přístup použil ve fúzní jaderné elektrárně, pak aby se dosáhlo úrovně ekonomického výkonu, bylo by nutné provést 10 výstřelů za sekundu!

Čelem vzad: návrat k přímému zapálení

Alternativní forma, která se vyhýbá některým složitostem schématu NIF, je „přímé zapálení“. Je na místě připomenout, že přímé zapálení používaly první lasery programu ICF a bylo opuštěno kvůli nehomogennímu ozáření terčíku a následné Raylerově-Taylorově nestabilitě, která ozařovaný terčík rozprášila. Jinými slovy vědci se pokouší vrátit vývoj, ale na jiné úrovni. Takže při přímém zapálení v NIF dopadají laserové paprsky přímo na povrch terčíku a hohlraum se nepoužije. Sníží se tak ztráty energie při přeměně ultrafialových paprsků na rentgenové záření v hohlraumu a kapsle je ozářena větší částí energie dopadajících paprsků. Nevýhoda spočívá v tom, že jakékoliv nedokonalosti v paprsku se přenášejí přímo do terčíku, což může vést k asymetrickému stlačení. Kvalita paprsku je proto hlavním zájmem experimentů s přímým zapálením.

Laboratory for Laser Energetics (LLE) na univerzitě v Rochesteru v New Yorku je vedoucím centrem této techniky. Její laser Omega nedisponuje tak velkou energií jako NIF, ale vědci LLE pracují na zpřesnění přístupu s přímým zapálením předtím, než se přestane experimentovat s NIF. Stejně jako v Livermore, tým LLE vylepšil své dostupné parametry ve snaze zlepšit výkon. Nedávné pokusy s terčíkem, který měl větší velikost, ale se stěnami stejné tloušťky, vedly ke zvýšení rychlosti implozí a k ztrojnásobení výtěžku. Pokusy s přímým zapálením nyní probíhají i v NIF.

Rázové a rychlé zapálení

Varianta přímého zapálení je zapálení rázové, při kterém laserový puls končí velmi krátkou a velmi intenzivní špičkou energie, čímž vzniká rázová vlna šířící se dovnitř terčíku, kde vytvoří centrální horkou tečku (hotspot) plazmatu. Tento přístup zkoumá LLE ve spolupráci s University of Bordeaux ve Francii a laboratoří Rutherford Appleton a University of York ve Spojeném království. Další varianta, známá jako rychlé zapálení, používá dva lasery: jeden pro stlačení kapsle stejným způsobem jako u přímého zapálení, druhý vyrobí jediný paprsek ozařující stlačené palivo velmi krátkým pulsem s velmi vysokou energií, čímž ho zapálí. Jednou z výhod tohoto přístupu, který byl propagován na univerzitě v Osace v Japonsku, je to, že kompresní laser nemusí být tak energeticky náročný jako NIF, protože není určen k zapalování.

Urychlovače místo laserů

Několik týmů se také pokouší dosáhnout ICF ne pomocí laserového světla, ale iontovými svazky. Myšlenkou by bylo urychlit dva svazky těžkých iontů a pak je vypálit do struktury podobné hohlraumu, aby iniciovaly implozi ve stejné míře jako NIF. Většina práce je nyní zaměřena na vývoj urychlovačů schopných produkovat iontové pulzy, které jsou dostatečně krátké a mají dostatečně vysoký výkon. Jedním z příkladů je lineární urychlovač nazvaný Neutralized Drift Compression Experiment-II v Lawrence Berkeley Laboratory v Kalifornii.

Věci nejsou nikdy tak jednoduché, jak se možná zdá na počátku. Ať už slézáte kopce v Himáláji, nebo vrcholy v inerciální fúzi.

(Volně podle Daniela Cleryho)

Milan Řípa
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Jak schovat zlaté nobelovské medaile

Udělování Nobelových cen bylo v průběhu jejich téměř stodvacetileté historie doprovázeno řadou až bizarních událostí. Dvě zlaté medaile byly dokonce rozpuštěny v kyselinách. Tato zajímavá příhoda se váže k maďarskému chemikovi šlechtického původu Györgye ...

Praha počítá se vznikem vodních ploch a výsadbou stromů

Praha nepodceňuje přípravu na extrémní sucho, které v následujících měsících předpovídají meteorologové. Rada města počítá s rozsáhlými revitalizačními projekty. V ulicích tak bude zeleň zavlažována průsakovou vodou z kolektorů (psali jsme v článku https://www.

Termojaderná fúze na rozcestí

Kdy už je termojaderné zařízení ziskové? To nám prozradí Lawsonovo kritérium: součin hustoty plazmatu a doby jeho udržení (stability) musí být dost velký, zhruba 1020 s.m-3. Pro spojitou činnost udržujeme plazma v omezeném prostoru silným magnetickým ...

Existuje hypotetická částice X 17?

Fyzika nás učí, že existují 4 základní interakce, tedy přírodní síly, které vše ovládají a vysvětlují konstrukci světa dle současného stavu poznání - gravitace, elektromagnetická síla, slabá a silná interakce. Zdá se, že vědci jsou na stopě páté fundamentální přírodní síly.

Proč komáři koušou zrovna vás

Někteří lidé mohou sedět venku celé léto a komáři na ně takzvaně „nejdou“. Jiní se objeví za letního večera venku a okamžitě si musejí škrábat komáří kousance, přestože se koupali v repelentu. Co s tím? Důvodem je většinou neviditelná chemická clona ve vzduchu kolem nás.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail