Pistolové krevetky inspirují termojadernou fúzi

Zřejmě nejkurióznější řešení termojaderné fúze předvádí soukromá společnost First Light Fusion Ltd. s domovskou adresou ve Spojeném Království, kde se oddělila od ctihodné Oxford University. Technickým ředitelem je čerstvý doktor Nicholas Hawker, který se zabývá ději při kolapsu bublin. Domnívá se, že po kolapsu může hmota uvnitř kolabující bubliny dosáhnout parametrů, kdy se zapálí termojaderná fúze v inerciálním formátu. Dr. Hawker se pro dosažení kýženého výsledku obrátil do zvířecí říše, konkrétně k tzv. pistolovým krevetám (pistol shrimps), které jsou známy schopností generovat pomocí mimořádně velkého a zvláštně uspořádaného klepeta bublinu schopnou omráčit i většího živočicha, než jsou sami.

Fúzní mainstream je toho názoru, že fúze se může uskutečnit, pokud vůbec, jen v obrovských zařízeních. Což se považuje za fatální nedostatek. V posledních letech se však stále častěji setkáváme s projekty zaměřených na "kompaktní" koncepce jaderné syntézy, které podle jejich zastánců mohou fúzi zvládnout v mnohem přijatelnějších rozměrech a tudíž za přijatelnější cenu. Není asi náhodou, že návrhy takových malých kompaktních zařízení chrlí soukromé společnosti.

Inerciální udržení v přírodě

Je samozřejmě velmi těžké v  krátké historii kompaktů posoudit důvěryhodnost různých navržených přístupů, ale projekt britské společnosti First Light Fusion vypadá, když ne slibně, tak určitě zajímavě. Především svým vzorem, který našla, v živočišné říši! Společnost založená Prof. Yiannisem Ventikosem a Dr. Nicholasem Hawkerem, navýšila své konto na dnešních 25 milionů liber, dosáhla "prvního plazmatu" v roce 2015 a nyní se zaměřuje na "první fúzi", kterou očekává možná už v roce 2019. First Light Fusion Ltd. - začínající společnost (dnes se říká "start up") - pracuje na „novém“ způsobu fúze, který využívá inerciálně udržovaného plazmatu kombinovaného s rázovými vlnami generovanými projektily. Nepoužívá tedy výkonné lasery, o kterých se ve spojení s inerciální fúzi obvykle mluví. First Light Fusion věří, že koncept vypůjčený od pistolové krevety může nabídnout řadu zajímavých výhod oproti tradiční fúzi: jednodušší zařízení, zkrácení doby vývoje a snížení nákladů.

Technologie

Namísto využití energie laseru jako "drivera - spouštěče" - pro počáteční ohřev a tvorbu plazmatu, navrhuje použít rázové vlny; nápad je inspirovaný bizarními centimetrovými pistolovými krevetkami (pistol strimps), které omračují svou kořist rázovou vlnou vytvářející plazma a který First Light Fusion popisuje jako "jediný příklad inerciálního udržení na zemi". Princip lovu pistolové krevety byl výchozím bodem pro doktorskou práci Nicholase Hawkera. Ve fúzním zařízení společnosti First  Light  Fusion budou rázové vlny vytvářet kovové projektily elektromagneticky urychlené na vysokou rychlost - přes 20 km/s pro demonstraci fúze a kolem 100 km/s pro dosažení "zisku" (možná už kolem roku 2024). (Je určitě dobré si zde připomenout snahu kanadské, rovněž soukromé, společnosti General Fusion, která se pokouší již od osmdesátých let minulého století termojadernou fúzi zapálit v tekutém lithiu rázovou vlnou generovanou ježkem ze stovek pneumatických pístů. Mimochodem, na „bublinkové fúzi“ si vylámal zuby indický vědec Rusi Taleyarkhan z Purdue University v Indianě, USA, který se domníval, že je jistým kandidátem Nobelovy ceny a jeho zklamání z neúspěchu bylo tak velké, že neváhal zfalšovat vědecké výsledky, což vedlo k jeho vědecké i osobní katastrofě.)

Řešení nestability

Největším problémem pro udržení fúze je stabilita fúzního media - plazmatu, tedy hledání konfigurace, která udržuje palivo v horkém a hustém stavu dostatečně dlouho. Malé odchylky od idealizované geometrie nebo malé změny intenzity driveru mají obvykle za následek vznik nestabilit. Ty rostou, zvyšují tepelné ztráty a nakonec snižují očekávaný výkon plazmatu. V podstatě každý experiment má za cíl dosáhnout určité doby udržení, ale v konečné bilanci kvůli výkonovým ztrátám dosahuje jen dobu kratší. "Boj proti nestabilitám se projevil ve fúzní technologii tím, že stroje jsou čím dál větší, jsou obrovské ... větší je stavíte, abyste kompenzovali skutečnost, že ztrácíte energii rychleji, než jste schopni dodat a udržet a řešíte tak problém nestability. V podstatě skončíte u něčeho podobného jako je tokamak ITER, vlajkové lodi magnetické fúze s náklady ve výši 20 miliard eur. ITER  velmi pravděpodobně bude technicky úspěšný a prokáže čistý zisk", domnívá se Dr. Hawker, "ale obrovský rozsah a složitost jsou skličující. Vedou k enormním nákladům a desítkám let zpoždění.“

Hrátky s bublinami

Dr. Hawkera zaujala existence kolabujících bublin a rád by zjistil, na jakém principu si krevety s nestabilitami poradily: "Činnost pistolové krevetky je plná nestabilit a přesto vytváří plazma s časově neomezeným udržením, což je to, co čemu chceme přijít na kloub. Snažíme se pracovat tak, jak se to děje v krevetkovém světě, pochopit a odpovědět na otázku: co potřebujeme k tomu, aby to fungovalo i nám? Jak můžeme schopnosti krevetek využít? Výzkum vedl k zjednodušení způsobu, jakým se do systému přivádí energie: použitím střely s vysokou rychlostí, která vytvoří rázovou vlnu tak, aby se dutina zhroutila podle naší potřeby.“ Původní výzkum, který vedl k založení společnosti, byl zaměřen na sofistikované simulace potřebné k modelování tohoto neuvěřitelně složitého jevu.

Machines

Dr. Hawker postavil dvě zařízení a v plánu má stavbu třetího. Místo klepeta pistolové krevety používá elektromagneticky urychlované projektily: „Nyní testujeme rychlejší projektily. First Light Fusion už postavilo jeden elektromagnetický urychlovač Machine  1 - který dosáhl rychlosti projektilu 5 km/s a postavilo i druhý, Machine 2, který byl použit k studiu fyziky elektromagnetického spouštění. Připravuje se Machine 3, který bude fungovat s 200 kV a 14 MA po dobu 2 mikrosekund a měl by být uveden do provozu do konce roku 2018. Bude schopen dosáhnout rychlosti projektilu 20 km/s a ​měl by být schopen zapálit první fúzi. Machine 3 bude jedinečné zařízení," říká doktor Hawker, „umožní dosáhnout tlaků a rychlostí, které urychlí vývoj našich konstrukcí zaměřených na cíl - fúzní reaktor pro elektrárnu.“

Plynová pistole jako experimentální zařízení

"First Light Fusion také intenzivně pracovalo s dvoustupňovou plynovou pistolí, komerčně dostupným strojem, s rychlostí přibližně 8 km/s. Ve skutečnosti byla plynová pistole použita k prokázání tvorby inerciálně udržitelného plazmatu pomocí rázové vlny generované projektily, s emisí světla z horkého hustého plazmatu vytvořeného během zhroucení dutiny. Tento výsledek, dosažený s limitovaným kapitálem a potvrzený odbornou třetí stranou, byl pro společnost významným milníkem a ukázal, že počáteční počítačové modelování produkuje přesné výsledky. Použití plynové zbraně umožnilo pokračovat v návrhu dalších kroků, ale není jediným životaschopným způsobem, jak dosáhnout požadované rychlosti projektilu. Nicméně se odhaduje, že navržená architektura stroje je o tři řády levnější než tradiční laserový přístup používaný běžně v inerciální fúzi. First Light Fusion chce snížit rychlost projektilu potřebnou pro dosažení fúze nebo pro danou rychlost zvýšit energii dodanou fúzní reakci a porozumět a využít know-how pistolové krevetky ohledně nestabilit plazmatu v bublinkách, které vytváří.

O peníze jde až v první řadě

Kapitálový požadavek společnosti First Light Fusion, kterým se společnost chce profinancovat k prvnímu energeticky ziskovému zařízení, je odhadnut na zhruba 400 milionů GBP, což je levnější než běžné standardy fúze. Společnost se domnívá, že její přístup, který se opírá o velmi rychlou zkušební iterační smyčku - šest týdnů od koncepce až po experiment - činí vývojové náklady podstatně levnější než u konkurence, a pokud dokáže dosáhnout klíčového kroku první fúze, myslí si, že její cesta k výkonovému zisku a fúzní elektrárně bude pravděpodobně mnohem jednodušší, rychlejší a levnější než tradiční přístupy. Toto tvrzení může znít optimisticky, ale Dr. Hawker trvá na tom, že hlavní hodnotou jeho společnosti je vědecká kredibilita (důvěryhodnost). "Během fúzní historie se objevilo spousta falešných optimistů a výzkumníci slibovali spoustu věcí, ale my se snažíme držet faktů," říká Dr. Hawker. Jedním z těchto projevů, podle jeho názoru, je vysoká důvěryhodnost poradního sboru, do kterého se společnosti podařilo začlenit nositele Nobelovy ceny Stevena Chu; Richarda L. Garwina -  fyzika vycvičeného Enricem Fermim - a bývalého vědeckého poradce britské vlády Sira Davida Kinga, který řekl, že je "velmi nadšen, když se může připojit k podnikání pracujícímu na skutečně vzrušující inovaci, která by mohla kdykoli změnit světový energetický systém."

Bude fúze potřeba?

Potenciálně znepokojující otázka, která se netýká fyziky a technologie fúze, zůstává: bude hrát inerciální fúze významnou nebo vůbec nějakou roli v éře obnovitelných zdrojů a distribuované výroby? Nebo je to návrat ke grandiózním centralizovaným „přežitým“ schématům minulosti? Koncepci fúze vidí Dr. Nicholas Hawker jako technologii, která bude konkurentem v tom, co nazývá "flexibilním základním segmentem" trhu s energií. Flexibilní základní segment poskytuje energii bez oxidu uhličitého, poskytuje energii, když není k dispozici vítr a slunce, a také je schopný aktuální výkon pružně zvyšovat a snižovat mnohem svižněji než atomový reaktor založený na štěpení jader s instalovaným výkonem elektrárny kolem 300 MW. Tato provozní flexibilita vychází ze skutečnosti, že inerciální fúze je na rozdíl od koncepce spojité magnetické fúze neodmyslitelně impulsní proces: vložit palivo, spalovat palivo, resetovat a opakovat -  analogicky k motoru s vnitřním spalováním. V případě inerciální fúze je výkon reaktoru (kromě jiného) řízen opakovacím kmitočtem. "Proto si myslíme, že můžeme být užiteční ve flexibilním základním zatížení, neboť máme "volný parametr" opakovací frekvence."

Zatímco magnetická fúze reprezentovaná tokamaky považuje odstranění dosavadního pulzního charakteru za úkol číslo jedna, Dr. Hawker neodstranitelný pulzní princip inerciální fúze vítá a považuje ho za skvělou výhodu… Jako vždy a všude záleží na úhlu pohledu!

Pistolové krevety

Mořští korýši rodu Alpheus (krevety, garnáti) o velikosti několika centimetrů, kteří mají jedno z klepet zvětšené a přizpůsobené k vytvoření rychlé, hlasité vlny - ultrazvukovému výstřelu. Jsou považovány za nejhlasitější zvířata vůbec, protože jejich výstřel má hlasitost 200 dB. Rychlým scvaknutím speciálně utvářeného konce klepeta, které dosahuje až poloviny délky živočicha, vytvoří proud vody s tlakem až 80 kPa ve vzdálenosti 4 cm od klepeta. Bublinky přítomné ve vodě se při takové rychlosti rozepnou a vytvoří kavitační bublinu. Rychlost bubliny dosahuje více než 100 km/h. Uvnitř bubliny je takový podtlak, že při jejím zhroucení (implozi) vzniká vedle hlasitého zvuku i neuvěřitelná teplota cca 4 500 ^oC a světelný záblesk. Tlaková vlna omráčí nebo zabije kořist, např. jiného korýše nebo menší rybku.

Videa s pistolovými krevetami

https://www.wired.com/2014/07/absurd-creature-of-the-week-pistol-shrimp/

https://www.youtube.com/watch?v=eKPrGxB1Kzc

https://www.youtube.com/watch?v=QXK2G2AzMTU

O firmě First Light Fusion Ltd.:

https://firstlightfusion.com