Většina technologií pro výrobu energie, které se dnes používají, je neudržitelná, protože způsobují značné škody na přírodním prostředí naší planety. V posledních letech se tak vědci po celém světě snaží vymýšlet alternativní energetická řešení, která využívají bohaté a přírodní zdroje.
Kromě řešení solární energie, větrné energie a mořské vody někteří fyzici a inženýři zkoumali možnost získávání energie z reakcí jaderné fúze. Jedná se o proces, při kterém se dvě atomová jádra spojí za vzniku těžšího jádra a energetického neutronu.
Dva výzkumné týmy pracující v National Ignition Facility (NIF) Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) demonstrovaly nové přístupy ke zvýšení produkce jaderné energie pomocí laserem řízené fúzní reakce. Jejich zjištění, publikovaná v nedávných příspěvcích Nature a Nature Physics, otevírají nové vzrušující možnosti pro jeden den pomocí samozahřívající se plazmy jako udržitelného zdroje energie.
"Nedávný dokument Nature a doprovodný dokument Annie Kritcher et al. referují o výsledcích aplikace strategie pro zvýšení výkonu fúze, kterou náš tým zkonstruoval a představil komunitě zabývající se inerciální fúzí asi před čtyřmi lety," Omar A Hurricane, hlavní vědec programu inertial Confinement Fusion v LLNL, řekl Phys.org.
Tato strategie, vycházející z desetiletí předchozí práce ve výzkumu inerciální fúze, požadovala výrazné zvětšení velikosti palivové kapsle v rámci fúzního cíle, což zvyšuje obsah energie v fúzním palivu a snižuje rychlost chlazení. Tato práce, nazvaná 'high yield big rádius implosion design' (HYBRID), sloužila jako výchozí bod pro nejnovější experimenty výzkumníků.
"Práce prezentovaná v Nature Physics stavěla na této předchozí práci, porozumění a technologii, ale vyřešila novou technickou výzvu spočívající v počátečním dodání více energie do horké plazmy, aby se vytvořilo dostatečné množství fúzních reakcí, které by fúze nakonec pomohla ohřát plazmu. “, řekla Phys.org Annie Kritcherová, jedna z hlavních výzkumnic zapojených do studie. "Za tímto účelem byla velikost imploze zvětšena, což představovalo řadu technických problémů."
Zatímco Hurricane, Kritcher a jejich týmy v Lawrence Livermore National Laboratory již dříve prokázali potenciál HYBRIDNÍ strategie, zjistili také, že má řadu omezení. Nejpozoruhodnější je, že při implementaci HYBRIDNÍHO designu bylo obtížné udržet vlastnosti související se stabilitou, rychlost imploze a kontrolu symetrie, kterých dosáhli pomocí menších implozí kapslí, protože energie laseru rychle došla.
„Jak se kapsle zvětšuje, potřebujeme více energie k pohonu imploze,“ poznamenává Chris Young, další hlavní autor studie. "Vzhledem k tomu, že již využíváme laser NIF, musíme být kreativní, jak zvýšit účinnost 'hohlraum', které převádí laserové fotony na rentgenové záření, které řídí implozi."
Ve svém experimentu Kritcher a její tým posvítili laserovými paprsky na vnitřek zlaté plechovky a vytvořili rentgenovou „radiační pec“. Tato 'trouba' byla poté použita k zahřátí vnějšku kapsle obsahující fúzní palivo a odstranění materiálu směrem ven, čímž vznikla vnitřní tlaková síla na palivo, která nakonec způsobila, že vzorek pod extrémním tlakem imploduje. Udržení sféricky symetrické imploze je rozhodující pro dosažení dobrého výkonu.
"Při těchto vysokých tlacích dochází k fúzním reakcím a produkt těchto reakcí je znovu absorbován, což dále zahřívá plazmu (samoohřev)," vysvětlil Kritcher. "Pokrok dosažený v této práci nám umožnil řídit imploze ve větším měřítku, které poskytly více počátečních fúzních reakcí a více samozahřívání. Když je samozahřívání větší než práce potřebná k zahájení fúzních reakcí, plazma začalo hořet."
Pomocí jejich jedinečného experimentálního designu byly oba týmy nakonec schopny přimět plazmu, aby se „zahřála“. To by nakonec mohlo pomoci produkovat větší fúzní reakce, aniž by bylo potřeba pokročilejší a dražší vybavení.
"Získání stavu 'hořící plazmy' je cílem pro výzkumnou komunitu fúze po celá desetiletí a je to nezbytný krok k ještě vyšším úrovním výkonu fúze," vysvětlil Hurricane. "Získání hořící plazmy znamená, že se blížíme k bodu zlomu zážehu fúze."
Nedávná práce Lawrence Livermore National Laboratory je obrovským krokem vpřed pro výzkumnou komunitu zkoumající reakce jaderné fúze. Kromě řešení dlouhotrvajícího výzkumného problému v oboru by to v konečném důsledku mohlo usnadnit zavádění alternativních energetických řešení založených na samoohřevném plazmatu.
"Možnost přístupu k tomuto režimu umožňuje studium těchto extrémních plazmat a je kritickým prvním krokem ke konečnému cíli dosáhnout zapálení a vysokých energetických zisků," řekl Kritcher. "Naše budoucí práce bude zahrnovat vylepšení cílového designu, abychom dále zvýšili množství počáteční fúze a reabsorpce fúzních produktů, což vedlo k vyšším ziskům. Nakonec budeme také studovat tyto nové plazmové systémy."
Ve svých dalších studiích plánují oba týmy prozkoumat stav hořícího plazmatu, který pozorovali, podrobněji, aby lépe porozuměli fyzice, která za tím stojí. Kromě toho by rádi zlepšili robustnost své konstrukce, například snížením její variability záběru.
"Experimenty s inerciální fúzí v NIF za posledních deset let neustále pokročily při zkoumání výzev při dosahování podmínek plazmatu (tlak stovek miliard atmosfér) potřebných k tomu, aby došlo k významné fúzi, a k překonání těchto problémů," dodal Hurricane. "Budeme pokračovat v prosazování vyšších úrovní výkonu fúze tím, že budeme stavět na tom, co jsme se dosud naučili."
Prozkoumejte dále
Výzkumníci na pokraji zapálení fúze v National Ignition FacilityDalší informace:A. B. Zylstra a kol., Hořící plazma dosaženo inerciální fúzí, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04281-w
A. L. Kritcher a kol., Návrh inerciálních fúzních implozí dosahujících režimu hořícího plazmatu, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-021-01485-9
O Hurricane et al, Beyond alpha-heating: Inerciálně omezené fúzní imploze směrem k hořícímu plazmovému stavu v Národním zapalovacím zařízení, plazmové fyzice a řízené fúzi (2018). DOI: 10.1088/1361-65717/aa
R. Betti et al, Alpha Heating and Burning Plasmas in inertial Confinement Fusion, Physical Review Letters (2015). DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.255003
Informace o časopise:,,© 2022 Science X Network
Citace: Nové studie zdůrazňují potenciál samozahřívajícího se plazmatu pro energii z fúze (2022, 17. února) získané 20. května 2022 z https://phys.org/news/2022-02-highlight-potential -self-heating-plasmas-fusion.htmlTento dokument podléhá autorským právům. Kromě jakéhokoli poctivého jednání za účelem soukromého studia nebo výzkumu nesmí být žádná část reprodukována bez písemného souhlasu. Obsah je poskytován pouze pro informační účely.
