Reálný význam současného průlomu v termojaderné fúzi na zařízení NIF
V tomto týdnu se v řadě zdrojů psalo o průlomu v cestě k termojaderné elektrárně dosaženém na americkém zařízení NIF. Zde se dosahuje podmínek pro fúzní termojaderné reakce extrémním stlačením paliva pomocí laserových svazků. Při současném úspěchu se podařilo ve fúzních reakcích získat více energie, než nesly laserové svazky využité k vytvoření extrémně horkého a hustého plazmatu. Podívejme se, jaký je reálný význam tohoto úspěchu.
Celá řada článků v tisku a na internetu oslavovala překonání pomyslné hranice, při které se ve fúzních reakcích vytvořilo více energie, než měly laserové svazky amerického zařízení NIF (National Ignition Facility) v livermorské laboratoři. Laboratoř LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) se intenzivně zaměřuje na laserovou fyziku. To je i důvod, proč se právě zde vybudovalo klíčové zařízení pro studium inerciálního udržení plazmatu při cestě k řízené termojadernému reaktoru.
Pohled na horní část terčové komory zařízení NIF (zdroj LLNL).
Připomeňme, že existují dvě odlišné metody dosažení podmínek pro termojadernou fúzi. Je potřeba dosáhnout odpovídající teploty a dostatečného součinu hustoty plazmatu a doby jeho udržení. Pro reakci deuteria a tritia je potřeba dosáhnout 150 milionů stupňů. Potřebnou hodnotu součinu hustoty plazmatu a doby jeho udržení lze dosáhnout dvěma způsoby. Prvním je magnetické udržení, kdy se dlouhou dobu v řádu desítek i stovek sekund udržuje plazma s nízkou hustotou. Druhým je inerciální udržení, kdy se na velmi krátkou dobu v řádu nanosekund dosahuje extrémně vysoká hustota plazmatu. Podrobný rozbor těchto možností a podmínek potřebných k dosažení termojaderné fúze lze najít v dřívějším článku.
Zařízení NIF dosahuje inerciálního udržení plazmatu pomoci laseru, jehož původní svazek se rozdělí do 192 svazků, které co nejsymetričtěji ozáří kuličku velikosti pepřového zrna se zmrzlou směsí deuteria a tritia. Je třeba zdůraznit, že velmi výkonné lasery musí energii potřebnou na daný výstřel, který trvá v řádu nanosekund, delší dobu shromažďovat. Energie vytvořeného laserového svazku je pak o dva řády menší, než je původně shromážděná energie. Laser NIF je petawattový s výkonem 0,5 PW. Jak bylo zmíněno, musí se pro symetrické ozáření kapsule s palivem svazek rozdělit na zmíněných 192 svazků a také se roztáhne více v čase.
V současné době se pro zlepšení symetrie ozáření kulička s deuteriem a tritiem umisťuje do zlaté schránky s dutinou označované německým výrazem hohlraum (dutina). Její rozměry jsou okolo centimetru. Svazky laseru zahřejí vnitřní stěny dutiny na extrémní teploty, takže vyzařují rentgenové záření. Uvnitř dutiny se tak vytvoří velmi homogenní lázeň tohoto záření. A teprve to pak stlačuje a ohřívá kuličku s palivem. Právě takový nepřímý způsob umožňuje co nejvíce izotropní průběh ohřevu. Prudkým ohřevem dochází k expanzi a explozi vnějších vrstev kuličky a na základě zákona akce a reakce k implozi těch vnitřních. Tím se ve vnitřních částech dosahuje extrémně vysoká hustota a teplota plazmatu. Jde vlastně o mikroskopickou termojadernou explozi.
Nejen zlatá hohlraum, ale i kulička obsahující palivo mají komplikovanou strukturu. Zvláště kvalita a složení ablační povrchové vrstvy je klíčová pro kvalitu daného výstřelu. Velmi intenzivně se tak pracuje na vylepšování hohlraum i kuličky s tritiem a deuteriem. První informace o tom, že se podařilo dramaticky zlepšit parametry vytvářeného plazmatu, se objevily v létě roku 2021, podrobné informace o tomto úspěchu však byly publikovány na konci roku 2021. Postupně se tak podařilo překonat některé z klíčových mezí při cestě k řízené termojaderné fúzi.
Hohlraum obsahující kryogenní terč obsahující zmrzlé tritium a deuterium (zdroj LLNL).
Připomeňme si, o kterých limitech se nejčastěji píše v odborných článcích. Vědecké vyrovnání označuje úroveň, kdy ve fúzních reakcích vzniká stejný výkon, jaký je potřeba k ohřevu plazmatu. Zápalné vyrovnání se dosáhne tím, že fúzní výkon absorbovaný v plazmatu vyrovná ztrátový výkon plazmatu. Inženýrským vyrovnáním se označuje vyrovnání hrubého výkonu fúzní elektrárny a vlastní spotřeby elektrárny.
Detailnější popis cesty k rekordnímu výstřelu 8. srpna 2021 byl spolu s podrobným rozborem tohoto výstřelu uveřejněn později. Je zde vidět, že se postupně daří dosahovat stále rovnoměrnější rozložení vysokých teplot a hustot potřebných k realizaci fúzních reakcí ve zvětšujícím se vnitřním objemu účastnícím se imploze. Při těchto výstřelech se podařilo i násobně překonat první zmíněné vyrovnání, a dokonce i to druhé.Že nešlo o náhodný úspěch, ale o výsledek dlouhodobého kontinuálního intenzivního výzkumu ukazuje i to, že se 5. prosince 2022 podařilo dosáhnout dalšího rekordního výstřelu. V tomto případě se ve fúzních reakcích uvolnila energie 3,15 MJ, přičemž energie laserového ultrafialového svazku byla 2,05 MJ. Ve fúzních reakcích se tak vyprodukovalo více energie, než obsahoval laserový svazek dopadající do hohlraum. Připomeňme ještě, že konverze ultrafialového záření na rentgenové a ztráty z toho, že se část záření nestrefí do „pepřové“ kuličky, způsobí celkové ztráty až 99 % energie svazku laseru. Na ohřev a stlačení paliva se tak využilo pouze zhruba procento původní energie laserového svazku.
Laserový ultrafialový svazek se nejdříve uvnitř hohlraum přemění na rentgenovské záření, které stlačí a ohřeje kuličku s palivem (zdroj LLNL).
V předchozím rekordním výstřelu z 8. srpna 2021 měl svazek laseru energii 1,9 MJ a ve fúzních reakcích se uvolnila energie 1,37 MJ, tedy okolo 70 %. Nyní se konečně překročilo 100 %. Je to jistě obrovský pokrok. Zvláště když se zdá, že lze takto kvalitních výstřelů dosahovat standardně a jejich parametry se stále zlepšují. Velmi se těším na podrobnou publikaci o rekordním výstřelu a pokroku, kterého se podařilo dosáhnout.
Je však třeba připomenout, že jsme stále hodně daleko od inženýrského vyrovnání, bez jehož překonání se při cestě k termojaderné elektrárně neobejdeme. Vždyť jen pro vyrovnání energie, která je nutná pro uskutečnění výstřelu laseru s popsanými parametry potřebujeme, jak už bylo zmíněno, o dva řády vyšší produkci energie. Pokrýt musíme i další energetické potřeby případné elektrárny i ztráty při konverzi tepelné energie na elektrickou.
Stejně velkou výzvou je i zajištění vysoké frekvence výstřelů a jejich kontinuální dlouhodobou realizaci. V reálné elektrárně bude nutná frekvence výstřelů jednotkách až desítkách za sekundu. Pro současné zařízení NIF je možné realizovat jeden výstřel za den. Je tak vidět, že nás v této oblasti čeká ještě řada výzev a velmi dlouhá cesta.
K termojaderné elektrárně je i nadále blíže magnetické udržení a tokamaky. Zde je daleko menší poměr mezi energií potřebnou k realizaci výstřelu a ohřevu plazmatu a energií, která se v plazmatu reálně deponuje. Zároveň dokážeme dosáhnout daleko stabilnějšího a kontinuálnějšího provozu. I proto jsou vkládána taková očekávání do zařízení ITER. O dřívějších i současných výsledcích s fúzními experimenty na evropském tokamaku JET jsme psali v nedávném článku, v dřívějším jsou pak popsány i některé rekordy současných tokamaků.
Mohlo by vás zajímat:
Kolik takových obřích úspěchů už termojaderná fůze měla? Jen ty obří úspěchy trvají už 65 let a ke komerčnímu využití je čím dál víc daleko. Je to vlastně jen taková černá díra na peníze z veřejných rozpočtů(viz Iter).
Veškerý výzkum je černá díra na peníze. Ta doba a úsilí a zatím nic. Stejnou větu už řekl pračlověk Pazourek před 10 tisíci lety. Místo výzkumu šel radějí někomu pazourkem rozbít hlavu, aby si vzal jeho zásoby.
Nedávno to bylo i v TV sice z 50 let minulého století, ale vypadalo to že tam jsou ještě o kousek dál. Jmenovalo se to "Vynález zkázy". A nakonec to celkem dobře dopadlo.
Termojaderná fúze je zdrojem budoucnosti. Cesta k jejímu praktickému využití bude ještě dlouhá a trnitá. Oproti falešné představě, že 100 % energetických potřeb lidstva pokryjí OZE, je to však úplná brnkačka. ;-)
Kolik energie dnes vyrobí OZE a kolik termojaderná fůze?
Termojaderná fúze 100 %, OZE 0 %. OZE totiž žádnou energii nevyrábějí, jen ji se ztrátami přeměňují z jedné formy na druhou.
Když bychom to vzali striktně z fyzikálního hlediska, tak i termojaderná fúze je pouze přeměna, nikoli výroba energie. Konkrétně se jedná o přeměnu hmoty na teplo (E = m.c^2). Platí zákon zachování energie, tj. energie se nedá vyrobit ani zničit.
Termojaderná fúze do budoucna každopádně představuje stabilní a prakticky nevyčerpatelný zdroj energie.
Striktně z fyzikálního hlediska energie vzniká přeměnou hmoty nebo naopak hmota přeměnou energie.
Ano, Vaše definice je přesnější.
je to tak, vsetku energiu vyrobi termojaderna fuze na Slnku, nam uz ju staci iba zachytit a premenit pomocou FVE alebo z podruznych zdrojov cez VTE napriklad
stavat fuzny reaktor na zemi nedava moc zmysel, taky reaktor dava zmysel do vesmirnej lode, ktora sa vyda kolonizovat daleky vesmir, kam ani Slnko nedosvieti
Kdo rozhoduje o tom, co dává a co nedává smysl? Pán Bůh?!
Dává smysl létat s lidskou posádkou na Měsíc nebo dokonce až na Mars? Dává smysl urychlovač částic CERNu nebo Webbův teleskop? Dává smysl, aby světové velmoci utrácely stovky miliard dolarů ročně za zbrojení? Zejména v kontextu poslední jmenované položky jsou náklady za výzkum termojaderné fúze zcela přijatelné. A kdo ví, jaké to bude mít postranní efekty (viz program Apollo). Nové poznatky ve vědě a technice jsou k nezaplacení.
rozhoduje o tom zachovanie civilizacie ako nositela existencie vo vesmire, pokial vieme, tak zatial sme v celom sirom vesmire sami a az zanikne pozemska civilizacia, tak zanikne zivot vo vesmire ako ho pozname, ale vesmir je obrovsky a je teda velka sanca, ze niekde daleko existuje ina civilizacia, ktora sa pokusi dostat dalej a posunut na vyssiu uroven, su na tuto temu dobre videa na youtube kanali Kurzgesagt - In a nutshell, odporucam
Vaše otázka je, coby reakce na můj příspěvek, irelevantní. Psal jsem o tom, že je hloupost vsázet všechno pouze na jednu kartu - na OZE. Ty jsou totiž ze své podstaty nestabilní a kvůli déle trvajícím výpadkům vyžadují 100 % zálohu (fosilní elektrárny, skladování vodíku apod.). Snad s výjimkou biomasy a geotermální energie.
Mimochodem, fosilní paliva i OZE mají svůj prapůvod v termojaderné fúzi (nikoli "fůzi") na Slunci. I když to trvá už dlouho a stojí to spoustu peněz, tak bránit se dalšímu vývoji termojaderných fúzních zdrojů považuji za idiotství.
Ještě jsem zapomněl na vodní elektrárny. Ty jsou také ze své podstaty celkem stabilním zdrojem typu OZE a není nutné je 100 % zálohovat.
FVE zabírají hromadu místa a v zimě dávají cca 10 % toho, co v létě. Přinejmenším v zimě je proto nutné jejich výpadek pokrýt jiným způsobem. V Německu (nikoli v ČR) třeba z větrných elektráren. Ty jsou však také nestabilním zdrojem el. energie, takže Němcům pak často nezbývá nic jiného, než nahodit ty "závěrné" paroplynové elektrárny, nebo spustit starou, dobrou uhelku. Ale bezemisních jaderných elektráren se zbavili, pitomci. :-(
A proč to s větrem jde ve stejně větrném Rakousku jako má ČR a u nás ne?
Cituji Ústav fyziky atmosféry: "Specifikem je území východně od Vídně, kde jsou podmínky mimořádně příznivé, a to jak větrností, tak charakterem krajiny. Dosud se výstavba VtE koncentrovala do nejvíce větrných lokalit, zatímco většina území včetně „středně“ větrných míst se nevyužívá." Není tedy pravda "ve stejně větrném Rakousku jako má ČR".
A kolik procent své roční spotřeby Rakušané tímto způsobem vyrobí?? A kolik od nás ročně odeberou TWh? Mimo jiné z našeho fuj, fuj Temelína a fuj, fuj Dukovan?
U nás jsou technicky vhodným místem k výstavbě větrných elektráren především hřebeny našich pohraničních hor a Vysočina. Z hlediska estetiky by to však byla naprostá tragédie.
Omlouvám se, ale ani jeden z vás nemá pravdu. Energii nelze vyrobit. Lze jen s větší ci menší účinností tranformovat jednu podobu energie na jinou podobu energie a to většinou se ztrátami v podobě získání jiné formy energie než jakou jsme ziskat chtěli. Celkové množství energie v systému je však naprosto neměnné, tak jaké vyrábění energie? Správně bychom měli mluvit o získávání či čerpání určité formy již uložené energie.. Fyzika a termodynamické zakony stále fungují, a i zde je přítomná entropie..
Veškerá tzv. výroba energie se dnes pohybuje tim směrem, že si lidstvo troufá do stále vice energeticky náročnějších procesů a technologií, abychom si mohli "otevřít kousek energetické konzervy a trochu z ní sosnout". Činíme to však velmi neuměle a NEEFEKTIVNĚ přes mechanickou práci a změnu skupenského tepla vody na páru. A i případná jaderná fúze se tak defacto stane jen ohromnym hořákem pod starodávnou parní mašinou, jejíž řemenice bude roztáčet parni generatory jen proto, abychom ziskali pár voltů, které bude třeba zase z velké části vracet do systému.. ale ano, vzhledem k použitému množství "paliva" nam to asi prinese určitý efekt, ale efektivita je jako kdybychom schválně způsobili lesni požár, abychom si pak od nej mohli připálit cigáro.
Ok, děkuji za vysvětlení a upřesnění. V médiích se všude píše o "výrobě elektrické energie" nebo všeobecně o "výrobě energie", ale přitom se jedná pouze o přeměnu jedné formy energie na druhou.
Záleží zda považujeme hmotu za jinou formu energie nebo nikoliv. Proto nelze prohlásit že "ani jeden z vás nemá pravdu". Není ani pravda že výroba elektřiny z jaderné fúze nutně musí probíhat "přes mechanickou práci a změnu skupenského tepla vody na páru". U prvních fúzních elektráren to tak nejspíš bude, ale to neznamená, že jiné způsoby jsou vyloučené.
Emile, z Vás fyzik ani filozof nikdy nebude, nesnažte se.
Z vědeckého hlediska je NIF velmi zajímavé, to že by to mohlo konkurovat (třeba do padesáti let) Slunci a přímé výrobě elektřiny jako je fotovoltaika je ovšem literární sci-fi. Velmi výkonné lasery z Lawrence Livermore Národní Laboratoře ovšem uplatnění naleznou rychle, již nyní, ve vědě a ve vojenství.
Vaněčku, nechte si svá hloupá hodnocení pro někoho koho zajímají, já to rozhodně nejsem. Pochybuji že někoho takového vůbec najdete. Zjevně opět žádný věcný argument nemáte, tak jste si přišel jako obvykle jen kopnout. Slovy klasika: "nepište mi, a pokud možno, nepište vůbec".
Naši partneři
Komentáře v diskuzi mohou pouze přihlášení uživatelé. Pokud ještě účet nemáte, je možné si jej vytvořit na stránce registrace. Pokud již účet máte, přihlaste se do něj níže.
V uživatelské sekci pak můžete najít poslední vaše komentáře.
Přihlásit se