Sciencemag.cz
Doporučujeme
V uplynulých letech zažil výzkum jaderné fúze dva významné úspěchy: uvolnění rekordního množství energie v tokamaku JET a splnění Lawsonova kritéria vědeckého vyrovnání v laserovém zařízení NIF.
Evropský tokamak JET (Joint European Torus) byl po celou dobu svého provozu (1984–2024) největším fúzním reaktorem s magnetickým udržením paliva na světě. V rámci rozsáhlých výzkumných aktivit na tokamaku proběhly tři výzkumné kampaně s vysokým fúzním výkonem a použitím deuterium-tritiového paliva: kampaň DTE1 v roce 1997, kampaň DTE2 v roce 2021 a kampaň DTE3 v roce 2023. V roce 1997 JET uvolnil v jediném výboji 22 MJ fúzní energie, v roce 2021 59 MJ a v roce 2023 ještě o 10 MJ více.
Rekordní experiment roku 2023 č. 104522 měl za hlavní cíl optimalizaci provozního scénáře při vysokém fúzním výkonu. Díky účinné stabilizaci plazmatu se v experimentu, jehož hlavní část s vysokým výkonem trvala 5,3 sekundy, podařilo uvolnit 69 MJ fúzní energie při průměrném výkonu 13 MW.
V reaktoru bylo vytvořeno divertorované plazma ve tvaru písmena „D“ o průměru toroidu 6 m, průměru plazmatu 1,8 m a objemu přibližně 90 m3. Plazma bylo udržováno v ose reaktorové komory helikálním magnetickým polem o velikosti 3,85 T. Palivo tvořily ionty deuteria a tritia v poměru 1 : 4 o hustotě přibližně 9 × 1019 částic/m3. Nezvyklý poměr izotopů paliva umožnil při aplikaci deuteriových ohřevových svazků maximálně využít reakční potenciál injektovaných urychlených iontů deuteria s nadtepelnou rychlostí při fúzních reakcích vyvolaných jednou složkou paliva o vysoké energii (tzv. beam-target reakce). V současných nedostatečně velkých reaktorech může být taková palivová směs výhodnější než mix 1 : 1 vyžadující vyšší teplotu, při kterém jaderná fúze probíhá především na základě termálního rozdělení energie iontů plazmatu.
Plazma bylo nejprve ohřáto elektrickým proudem o velikosti 2,5 MA, svazky urychlených neutrálních atomů deuteria o energii 130 keV a výkonu 30 MW a elektromagnetickými vlnami na iontové cyklotronové rezonanční frekvenci deuteria 25 MHz o výkonu 5 MW. Sekundu po spuštění dosáhl reaktor provozní elektronové teploty plazmatu 10 keV a fúzní výkon překročil 12 MW. Reaktor pak 5 sekund udržoval fúzní výkon mezi 11 a 14 MW. Neutronový tok se pohyboval v rozsahu od 4 × 1018 do 5 × 1018 n/s.
Konstrukce reaktoru byla před horkým plazmatem chráněna první stěnou vyrobenou z beryllia a divertorové terče, na které kontinuálně dopadá plazma, byly wolframové. Fúzní reakce spotřebovala 0,2 mg paliva. Po dobu experimentu se tepelný výkon reaktoru pohyboval okolo 48 MW.
Reaktor JET s úspěchem zopakoval a zdokonalil pokusy s vysokým fúzním výkonem z předchozích kampaní. Za celou kampaň JET uvolnil více než 500 MJ fúzní energie. Tím prokázal spolehlivost a vyspělost vyvinutých provozních scénářů. Tyto scénáře budou základem pro sestavení provozních scénářů reaktoru ITER a prototypu fúzní elektrárny DEMO.
Laserové zařízení NIF (National Ignition Facility) v americké Kalifornii je největším zařízením na světě, ve kterém probíhá výzkum jaderné fúze s inerciálním udržením paliva. Zařízení disponuje 192 lasery o celkovém výkonu až 500 TW, jež dokáží do palivového terče dopravit více než 2 MJ energie. V roce 2021 NIF dosáhl významného úspěchu, když se při experimentu N210808 uvolnilo 1,3 MJ fúzní energie. O rok později, v prosinci 2022, následoval rekordní pokus N221204, při kterém se podařilo uvolnit 3,15 MJ fúzní energie, což bylo více než množství energie dopravené do palivového terče. Poprvé v historii tak bylo splněno Lawsonovo kritérium vědeckého vyrovnání.
Při experimentu byla palivová kapsle ve tvaru kuličky o průměru 2,1 mm a hmotnosti 4,25 mg umístěna do tzv. hohlraumu, malého válečku o průměru 6,4 mm a výšce 11,24 mm vyrobeného z ochuzeného uranu a pokrytého tenkou vrstvou zlata. Palivová kapsle byla v hohlraumu zavěšena pomocí dvou polymerových formvarových membrán o tloušťce 45 nm.
Terčem laserů byl hohlraum. Všech 192 ultrafialových laserových paprsků o vlnové délce 351 nm bylo nasměrováno na vnitřní povrch hohlraumu ve čtyřech laserových kuželech v úhlech 23°, 30°, 44° a 50° vzhledem k jeho svislé ose. Při výstřelu lasery předaly hohlraumu energii 2,05 MJ s výkonem 440 TW. Při ozáření emitovala zlatá vrstva intenzivní rentgenové záření, které vyplnilo vnitřek hohlraumu dříve, než se hohlraum vypařil. Rentgenové záření šokově s vysokou homogenitou ohřálo a odpařilo ablační vrstvu palivové kapsle.
Ablační vrstva o tloušťce 86 μm byla vyrobena z nanokrystalického diamantu o vysoké hustotě HDC (high-density carbon). V blízkosti vnitřního povrchu byla vrstva dopována wolframem zabraňujícím předčasnému ohřátí paliva uvnitř kapsle, které by ztížilo jeho stlačení. Palivem byla směs deuteria a tritia v poměru 1 : 1 o hmotnosti 220 μg. Pod ablační vrstvou se nacházela vrstva zmraženého paliva o tloušťce 64,5 μm a vnitřek kuličky byl vyplněn palivem v plynném stavu. Při rentgenovém záblesku došlo k odpaření většiny ablační vrstvy a její zbytky stlačily palivo rychlostí 380–400 km/s na přibližně 2000krát vyšší hustotu. Tlak v palivu při stlačování překročil 600 miliard atmosfér. Časově proměnný výkon každého z laserů přitom umožnil optimalizovat kompresi paliva a symetrii imploze kapsle.
Kompresí se palivo ohřálo na teplotu 50–70 milionů °C. Vysoká hustota a teplota odstartovaly fúzní reakci, která následně ohřála palivo až na 150 milionů °C. Při fúzní reakci se spotřebovalo 4,3 % paliva, což bylo trojnásobné množství oproti předchozímu experimentu.
V roce 2023 vědci pokračovali v experimentech s optimalizovanými lasery a terči a výsledek se podařilo překonat. V červenci 2023 se při pokusu N230730 uvolnilo 3,88 MJ při energii dopravené do terče 2,05 MJ. V říjnu pak bylo ověřeno, že nižší energie dopravená do terče o velikosti 1,9 MJ také vede k překročení Lawsonova kritéria díky optimalizovanému terči, i když s menším výtěžkem energie. V závěru října se podařilo zvýšit energii dopravenou do terče na 2,2 MJ a uvolnit 3,4 MJ energie. V únoru 2024 se při pokusu N240212 uvolnilo 5,2 MJ, dosud nejvíce fúzní energie při inerciálním udržení. Experimenty potvrdily zásadní důležitost vysokého výkonu laserů a současně sofistikované konstrukce hohlraumu a palivové kapsle.
Dosažené výsledky ukazují, že fúzní výzkum magnetického i inerciálního udržení paliva jde správným směrem. V současnosti dále pokračuje studium fyziky plazmatu s cílem hlubšího porozumění probíhajícím procesům a vývoj technologií fúzních zařízení. Jaderná fúze s inerciálním udržením paliva je zatím ve fázi fyzikálního výzkumu, avšak jaderná fúze s magnetickým udržením paliva již řeší technologické otázky a je připravena na transfer do energetiky.
úryvek z knihy
Slavomír Entler, Ondřej Ficker: Spoutané Slunce, Academia 2025
O knize na webu vydavatele
