Úvod do termojaderné fúze Jan Mlynář 8. Inerciální fúze Kritérium pro fúzní zisk, nutnost komprese, účinnost cyklu, drivery (laser, svazky částic, z-pinč), terčíky, přímé a nepřímé zapalování, rychlé zapalování, komora reaktoru, NIF, LMJ, HiPER, elektrárna Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Výchozí myšlenky ICF ICF = Inertial Confinement Fusion Opakované odpalování termonukleárních mikroexplozí, tak malých, aby jejich energetický výstup bylo možné rozumnými technickými prostředky absorbovat. Odhaduje se, že lze zvládat energii výbuchu max 1 GJ (ekvivalent 250 kg TNT). To odpovídá kulovému terčíku D-T o poloměru 1,33 mm.  cvičení „Inerciální udržení“ – fúzní reakce probíhají, dokud se terčík tepelným pohybem nerozletí (fúze probíhají na rychlejší části tepelného rozdělení!)  odhad, že reakce vyhasnou při nárůstu hořící koule o 25% Teplota hoření kolem 10 keV, doba dána jako Jaký musí být poloměr terče, aby byla splněno Lawsonovo kritérium? Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Podmínka pro energetický výtěžek Opakování : východisko (původního) Lawsonova kritéria kde h je účinnost cirkulace energie v systému (od uvolněné fúzní energie až po ohřev dalšího terčíku) Doba udržení v inerciální fúzi: Dosazení: &  A například pro optimální teplotu T = 20 keV: Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Nutnost komprese a to nelze  je nutné zvýšit r kompresí terčíku kompresní poměr („konvergence“) c: dosazením do podmínky pro rr: Např. lze rozumně požadovat (hrubým odhadem) h ~ 1%  c ~ 13  r ~ 0,1 mm, t ~ 30 ps Detailnější odhady pro současnou technologii c ~ 30 Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Komprese terčíku Interakce záření s hmotou terčíku  odpařování povrchu terčíku (ablace)  tlak na povrch terčíku  komprese Terčík anglicky: pellet Hned vyvstávájí problémy s rovnováhou sil - nedodržení směrové rovnováhy sil  terčík odletí - nedodržení homogenity interakce  nestabilita povrchu - také povrch terčíku musí být velmi homogenní! (ve všech případech se uvádí požadavek na chyby < 1%) Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Komprese terčíku terčík je ozářen (buď intenzivním světlem laseru, nebo částicemi) povrch terčíku se přemění na plazma a rozpíná se do prostoru objem terčíku je tak stlačován (dochází k implozi) k ohřátí na termonukleární teploty má dojít až v okamžiku maximálního stlačení tj. stlačení musí být rychlejší než tepelná vodivost terčíku v základním modelu má ohřátí způsobit tlaková vlna, spuštěná vhodným časovým průběhem výkonu driveru studené a husté DT Akcelerace ideální R Zvolnění horký bod  hydrodynamická nestabilita se netýká jen povrchu, ale také ohřívaného centra („horkého bodu“) Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze 6

Komprese terčíku Výkon driveru Energie driveru Oblast hydrodynamických nestabilit Oblast parametrických nestabilit Oblast stability Příliš pomalé stlačení – hydrodynamické nestablility, příliš rychlé stlačení – nelineární parametrické nestability Při kompresi laserem jsou také velké potíže s tím, že centrum před stlačením ohřívají urychlené elektrony. Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Komprese terčíku fyzikálně je interakce laseru s terčíkem celkem dobře modelována. Povrch může absorbovat až 90% výkonu, a to zejména pokud má laserové světlo vyšší frekvenci (UV světlo) problematika interakce rtg. záření s terčíkem (nepřímé zapalování, z-pinče) je mladší, ale už se toho taky ví hodně obtíže jsou s modelováním imploze. Je prokázána lineární fáze, následovaná nelineární, saturace a konverze modů kvalitativní shody modelů s experimentem, ale kvantitativně je v experimentech zpravidla rychlejší růst nestabilit. Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Proveditelnost ICF, zapálení Horké a husté plazma se brání implozi: - vysoký tlak ztěžuje kompresi (Pfermi ~ r5/3) - energie uniká (např. brzdné záření ~ ne2 T1/2) - energie se vypotřebuje na kompresi - vnitřně nestabilní systém Považuje se za jisté, že v USA prokázali proveditelnost ICF v osmdesátých letech v rámci „Halite-Centurion programme“. Podléhá utajení, neboť terčík byl zapálen jaderným výbuchem. Zapálení: V ICF definováno jako spuštění termojaderného hoření v centru terčíku, které se rozšíří na podstatnou část paliva. Neříká nic o tom, jaký je užitečný výstup (fúzní zisk) terčíku! (Bez zapálení je ovšem nicotný.) Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze 9

Účinnost cyklu detailněji fúzní zisk Konverze na teplo Konverze na elektřinu Konverze v driveru Podpůrné systémy Užitečný výstup Cirkulující energie Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Fúzní zisk detailněji Uvolněná fúzní energie: Fúzní zisk G: EI ...dopadající energie driveru a ... faktor zesílení v důsledku toho, že v systému jsou díky a -produktům fúze nadtepelné částice Fúzní zisk lze rozepsat takto: heating efficiency fuel burn ratio fusion gain Povšimněte si, že kde odpovídá totálnímu spálení paliva Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Základní části IFE elekrárny IFE = Inertial Fusion Energy Provoz má čtyři hlavní části: - driver, čili zapalovač, tj. zdroj pro kompresi a zapalování terčíků - komoru reaktoru, tj. místo se absorbuje energie explozí - materiálové technologie včetně výroby terčíků - tepelné výměníky, turbíny a energetická část Obtíže: - dosažení zapálení a dostatečného fúzního zisku - požadavek vysoké frekvence mikroexplozí (několik Hz proč? ) - cirkulující energie, zejména účinnost driverů - palivový cyklus (výroba tritia, výroba levných terčíků) - namáhání komory Výhody: - všechny výhody termonukleární fúze - snadná kontrola výstupního výkonu (pomocí frekvence explozí) Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Základní části IFE elekrárny Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze 13

Drivery: laser Obecně: výhoda koncentrované energie, zvládnutá fokalizace. Není zvládnuté efektivní čerpání a opakovací frekvence. Potřebuje nákladné optické prvky, které nemají velkou životnost (polopropustná zrcadla, násobení frekvence, shlazování koherence…). Vyžaduje vakuum (příliš koncentrovaná energie na průchod vzduchem) NIF Rutherford Appleton lab http://www.clf.rl.ac.uk/default.aspx Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Drivery: laser Plynové lasery (iodový, KrF) Jednoduchá údržba laserujícího média, potenciálně možná vysoká opakovací frakvence. Potíže: iodový má velkou vlnovou délku (1,3 mm), KrF OK (250 nm) ale velmi krátká doba života excitovaného stavu Pevné lasery – neodymový laser V současnosti se považuje za dané, že prvním driverem, díky kterému dojde k zapálení, bude laser s neodymovým sklem. Díky dlouholetému vývoji dosahuje tento laser vysoké a koncentrované energie a jeho světlo lze transformovat na kratší vlnové délky (z 1,06 mm se generuje třetina tj 350 nm). Potíž: velmi neefektivní čerpání, ~0,1%, zlepšení možné při čerpání pomocí LED Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Drivery: laser NIF Nova Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze 16

Svazky částic jako drivery Výhody: levné, účinné (20-30%), trvanlivé (žádná optika) a potenciál dosáhnout vysoké opakovací frekvence. Obtíže: zatím velmi daleko od požadované hustoty energie (o tři řády). Nedaří se dostatečně fokalizovat. Fokusující elementy budou muset být blízko k terčíku. lehké ionty: k dosažení ablace musí mít svazek vysoký proud (přes 10 MA pro energie iontů ~30 MeV). Vede k obrovským obtížím s prostorovým nábojem. těžké ionty: vychází lépe (kolem 60 kA pro energie iontů ~ 8 GeV). Považuje se za perspektivní řešení pro reaktory poté, co lasery prokáží principiální proveditelnost ICF (inertial confinement fusion) - lineární urychlování, komprese svazku během urychlení - RF urychlování s akumulačně-kompresním prstencem http://www-afrd.lbl.gov/fusionibt.html Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Drivery – svazky částic U.S. projekt HIFS – VNL (Heavy Ion Fusion – Virtual National Laboratory) http://hif.lbl.gov/ Etapy: 1) experimenty s vysokým proudem 2) demonstrace technologie urychlovače a terčíku 3) integrovaný experiment (včetně zaostřování a fyziky interakcí) 4) demonstrační reaktor Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Drivery: z-pinč z-pinč jako driver, tj. je z materiálu s vysokým Z (vytváří hodně rentgenového záření), terčík se vkládá W drátky pěna Angara-5, Triniti, Troitsk u Moskvy podobný je GIT 12 v Tomsku Výhody: jednodušší, účinnější, nadějné výsledky Obtíže: zejména nejasné, jak dosáhnout potřebné opakovací frekvence. Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze 19

Z-machine Sandia National Laboratories: Z machine, předělaná z PBFA-II (experiment s lehkými ionty) dosáhla překvapivě dobrých výsledků v rentgenovém záření: 290 TW, 1,8 MJ. Imploze DD terčíku: pozorovány fúzní neutrony a konverze c ~ 13 (2003 ), rekordní teplota 3,7 miliard stupňů (2006) http://www.sandia.gov/z-machine/ Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Terčíky Drastické požadavky: přesnost kulového tvaru i tloušťky musí být kolem 1%, hrubost povrchu pod 1mm. ve skutečnosti větší než v našem úvodním odhadu, protože jsou duté. Větší terčík – silnější imploze, ale náchylnější k nestabilitám. Obal z lehkého Z (kvůli ablaci, např. plasty), někdy následováno vysokým Z (stínění paliva) naplněn palivem (zmražená směs DT a páry). Umí se vyrábět jen pomocí velmi pomalých procesů (permeace). V elektrárně musí terčíky vydržet rychlé zavádění do komory V elektrárně by jeden terčík neměl stát víc než asi 30 centů. (dnes stojí kolem 2500 $) Poznámka: volba vyššího Z vede spíše k přeměně energie zapalovače na energii rentgenového záření, než na pohybovou energii částic. Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Terčíky - složení Experimenty: Současné obvyklé řešení : Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze 22

Přímé a nepřímé zapalování Přímé zapálení Nepřímé zapálení terčík dutina svazky laserů Motivace k nepřímému zapalování: Potřeba vysoké symetrie a homogenity záření, a výhodnější interakce záření s povrchem při kratších vlnových délkách (tj vyšší tlak na terčík). V dutině (hohlraum) vzniká homogenní rentgenové záření (proto vysoké Z, např. zlato). Stačí méně laserových paprsků. Nevýhody: další snížení účinnosti konverze, komplikovanější konstrukce (dražší), parametrické nestability Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Nepřímé zapalování Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Nepřímé zapalování Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Nepřímé zapalování svazky Účinnost přeměny energie Tloušťka stěny (mm) Hustota výkonu (1019 W/g) Místo otvorů pro laser jsou speciální zátky které se stanou zdrojem rtg. Záření. Uvnitř se ustaví záření odpovídající 4 MK. Při vyšší hustotě výkonu driveru je vyšší účinnost konverze, protože povrch terčíku zůstává vhodně polarizován (graf) Těžší svazek = lepší přenos energie, proto se zkouší molekulární svazky Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Rychlé zapalování vyhloubí se kanál pomocí nelineárních sil Vyhloubení kanálu Zapálení vyhloubí se kanál pomocí nelineárních sil generují se rychlé částice, které zapálí střed Oblast zapálení zapálení Méně náročné na energii komprese – tlak je před rychlým zapálením menší (bod c) než jaká odpovídá klasickému zapálení (bod b) Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Rychlé zapalování Produkce neutronů stoupla z104 na 107 Konverze energie laseru na teplo 20%-30% Potíže: - původně nebyly vhodné lasery - neví se, zda nepřevládnou nestability 2006 American Physical Society award for “Excellence in Plasma Physics” Naděje: - velký fúzní zisk při nízké vstupní energii - optimum kolem 600 kJ, nikoli 3 MJ - levnější elektřina (5-6 centů za kWh místo 8) - jedinečná fyzikální tematika  HiPER project Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Komora reaktoru Vakuová, aby se energie driveru dostala k terči dostatečně pevná k absorbci výbuchu, tj. k absorpci záření (rentgenové a gama), rychlých iontů, alfa částic, neutronů a úlomků pomocí absorbce nebo zpomalení částic v komoře přetváří kinetickou energii částic na teplo chladicího média. přepokládané místo vzniku tritia pro výrobu terčíků vhodnou volbou materiálu lze docílit účinnosti transformace energie v komoře větší než jedna (např. výroba tritia uvolňuje energii) Nova NIF Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

National Ignition Facility (NIF) http://lasers.llnl.gov/ Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

National Ignition Facility (NIF) Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Laser Mégajoule (LMJ) http://www-lmj.cea.fr/ Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Laser Mégajoule (LMJ) Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Laser Mégajoule (LMJ) LMJ building in 2006 LMJ interaction chamber (having been already moved in the building) LMJ building in 2006 Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Laser Mégajoule (LMJ) v roce 2011 Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Laser Mégajoule (LMJ) Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

The HiPER Project Civilian High Power laser Energy Research facility Místo: GB Plán byl 2010-2012, teď bez podpory chtělo by 850 M€ 40 laser beams Dlouhý puls: 5 ns Energie imploze 200 kJ Krátký puls: 10 ps PW beamline 70 kJ Výhledově: 150 PW, 30 fs OPCPA beam; 2 EW, 15 fs driver Zatím neschváleno mezi 9 zeměmi které pracují na detailním projektu je i ČR http://www.hiper-laser.org/ Obsahuje české video! 9 countries have been involved in the detailed design UK, Spain, France, Germany, Poland, Italy, Portugal, Czech Republic, Canada Cíl: do pěti let demonstrovat zapálení pomocí laseru Pružný výzkumný program: - vlastnosti materiálů za extrémních podmínek - ultra-relativistické urychlování částic - jaderná fyzika & rozptyl neutronů - laboratorní astrofyzika - nelineární kvantová elektrodynamika - gravitační & kvantová teorie pole - fyzika urychlovačů na vysoké energií (TeV) Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze

Projekt ELI Extreme Light Infrastructure Místo: ČR (Beamlines) Maďarsko (Attosecond) Rumunsko (Nucl. Phys.) Parametry: http://www.extreme-light-infrastructure.eu/ naše část: http://www.eli-beams.eu/ Výzkumný program: - rychlé ICF zapálení, výzkum HED hmoty - ultra-relativistická fyzika plazmatu - attosekundová věda - urychlování částic na extrémní energie (TeV elektronové & 10 GeV iontové svazky) Aplikace: - relativistická mikroelektronika - částicová radioterapie - studie stárnutí materiálů - attosekundové UV, VUV a SXR zdroje - měření s attosekundovým rozlišením Úvod do termojaderné fúze 8: Inerciální fúze