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.

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)