Jak daleko jsme pokročili k jaderné fúzi? - 1. část

DomůNázoryJak daleko jsme pokročili k jaderné fúzi? - 1. část
Obsah tohoto článku nebyl zpracován ani upravován redakcí webu oEnergetice.cz a článek nemusí nezbytně vyjadřovat její názor.

V současné době byla dokončena budova, ve které bude termojaderný reaktor ITER, a bude možné přistoupit k instalování samotného tokamaku. Začne se tak sestavovat vakuová nádoba pro plazma, supravodivé magnety a další konstrukce tohoto zařízení. Využijme tento klíčový zlom ke shrnutí našich znalostí o možnosti využití termojaderné fúze.

Komponenty jsou na místě, budova stojí a zařízení ITER se začne skládat dohromady (zdroj ITER)

Principy energetického využití jaderných reakcí

Energetické využití jaderných reakcí je založeno na základních vlastnostech kvantové fyziky a speciální teorie relativity. Podle Einsteinovy speciální teorie relativity platí ekvivalence mezi hmotnostní a energií. Klidová energie spojená s hmotností se tak může přeměňovat na energii kinetickou a tu lze přeměňovat na teplo, a to využít třeba k produkci elektřiny. Při slučování nebo štěpení jader tak lze využít vazebnou energii, která se při těchto procesech uvolňuje.

To, který ze zmíněných procesů lze použít, závisí na tom, jak se mění vazebná energie připadající na jeden nukleon s počtem nukleonů. Pokud se podíváme na graf, který tuto závislost zobrazuje, vidíme, že až po železo s počtem nukleonů 58 vazebná energie na jeden nukleon stoupá. Pro lehčí prvky, než je zmíněné železo, tak získáme uvolněnou vazebnou energii a přeměnu klidové energie na kinetickou jejich slučováním. Naopak pro těžká jádra pak jejich štěpením.

Závislost vazebné energie na jeden nukleon B/A na počtu nukleonu v jádře A. Maximum necelých 9 MeV je u jádra železa 58Fe

Štěpení se využívá v klasických štěpných reaktorech. My se teď budeme věnovat možnostem slučování lehkých jader. V tomto případě narážíme na jeden významný problém. Jádra jsou díky protonům kladně nabitá a vzájemně se elektrostatickou silou odpuzují. Tato odpudivá síla působí až do té doby, než se jádra přiblíží na vzdálenost, která je menší, než je dosah jaderné silné interakce. Ta pak dominuje nad elektrickým odpuzováním. Odpuzování se pak mění na přitahování a dochází k jaderné reakci. Jak je ukázáno na obrázku, dochází tak k vytvoření coulombovské odpudivé bariery, kterou musí nabité jádro překonat, aby ke slučovací reakci došlo. V klasickém případě by musela být kinetická energie nalétávajícího jádra větší, než je výška zmíněné coulombovské bariery. Kvantová fyzika však umožňuje i to, že se může do dostatečné blízkosti nalétávající nabitá částice i protunelovat. Pravděpodobnost takového jevu a jaderné reakce je v tomto případě řádově nižší. S poklesem energie projektilu a růstem výšky coulombovské bariéry navíc velice rychle klesá.

Coulombovská bariéra vzniká působením přitažlivé silné jaderné síly, která působí na velmi krátkou vzdálenost a mnohem slabší odpudivé síly elektrické. V grafu závislosti potenciálu protonu, který se přibližuje k jádru se tak vytváří val coulombovské bariéry a hluboká jáma vytvořená přitažlivou jadernou interakcí.

Pro překonání coulombovské bariery potřebujeme urychlit jádra na dostatečné rychlosti a kinetické energie. To můžeme docílit dvěma způsoby. Prvním je urychlení lehkých jader pomocí elektrického pole, kterým získáme svazek uspořádaně se pohybujících urychlených jader. Toho dosáhneme ve fúzoru nebo pomocí urychlovače. V tomto případě dostaneme na energii dodanou na urychlení jen velmi malý počet fúzních reakcí. Na těchto zařízeních se tak sice fúzní reakce realizují, ale neslouží k produkci energie. Při výběru vhodné reakce však mohou sloužit jako intenzivní zdroj neutronů.

Druhou možností je pak intenzivní ohřev plazmatu, při které se potřebná rychlost a kinetická energie realizuje v chaotickém tepelném pohybu jader. Ta teplota je velmi vysoká, v řádu 10^7 až 10^9 K. I při ní však nestačí kinetické energie iontů k přímému překonání coulombovské bariéry, a to se realizuje kvantovým tunelováním. Právě tato termojaderná fúze je cestou k možnosti získání fúzního reaktoru a elektrárny.

V přírodním termojaderném reaktoru drží plazma pohromadě gravitační síla (zdroj NASA)

Fúzním reaktorem je i Slunce

Příkladem přírodního termojaderného reaktoru jsou hvězdy, tedy i naše Slunce. V tomto případě jde o obrovský objem horkého plazmatu, které drží pohromadě gravitační síla. Nitro Slunce, ve kterém probíhají termojaderné reakce má poloměr 175 000 km, což znamená, že jeho objem zaujímá necelé 0,2 % celkového objemu. V tomto jádře Slunce je teplota potřebných 15 milionů kelvinů a hustota plazmatu zde je okolo 130 000 kg/m3 (to znamená řádově hustotu 10^32 protonů/m3). Vzhledem k této vysoké hustotě obsahuje tato objemem malá část Slunce velkou část (až desítky procent) jeho hmotnosti. Hustota výkonu Slunce je zhruba 0,19 mW/kg. Ten je velmi nízký, takže velký celkový výkon Slunce je dán hlavně jeho obrovským objemem.

Podívejme se, jaké reakce ve Slunci probíhají a zda by mohly být inspirací pro využití v pozemských termojaderných reaktorech. Prvním je proton-protonový cyklus. Zde probíhají tři reakce, které vedou k přeměně. Z nich první je kritická. Jde o splynutí dvou protonů za vzniku deuteronu, pozitronu a elektronového eutrina. Přeměna protonu na neutron (ale i naopak neutronu na proton) nemůže proběhnout jinak než prostřednictvím slabé interakce. Musí zde totiž dojít k přeměně jednoho kvarku na druhý, a to jiný typ interakce nemá dovoleno. Protože je tato interakce extrémně slabá, je i pravděpodobnost této interakce extrémně malá. Konkrétní proton musí i v prostředí, kde protony dominují, čekat v průměru 9 miliard let, než se s pomocí dalšího protonu uskuteční jeho proměna na deuteron.

Další reakcí je spojení deuteronu s protonem za vzniku izotopu helia 3. Tam jde pouze o spojení několika nukleonů, které se realizuje prostřednictvím silné interakce. Ta je velmi intenzivní a tím i realizace proběhne velmi rychle. Deuteron tak vydrží průměrně jen okolo čtyři sekundy, než proběhne jeho fúze s protonem. Za tu dobu má zanedbatelnou pravděpodobnost potkat jiný deuteron. Takže reakce fúze dvou deuteronu ve hvězdách neprobíhá.

Ve třetí reakci dojde ke spojení dvou jader helia 3 za vzniku izotopu helia 4 a dvou protonů. Helium 3 průměrně vydrží 400 let, než potká jiné helium 3 a proběhne zmíněná reakce. Vzhledem ke zmíněné velmi krátké době existence deuteronu má velice malou pravděpodobnost potkat toto jádro. Při reakci s protonem, kterých je v okolí helia 3 velký počet, by sice mohlo dojít ke vzniku helia 4 a vyzáření pozitronu a neutrina. Ovšem tato reakce probíhá pouze prostřednictvím slabé interakce a s extrémně malou pravděpodobností, takže její realizace je i u Slunce zanedbatelná.

Na Slunci probíhají ještě dva další cykly fúzních reakcí. Prvním z nich je tzv. CNO cyklus, kdy uhlík jako katalyzátor umožňuje v sérii reakcí přeměnu čtyř protonů na helium 4. Kromě reakcí, kdy se prostřednictvím silné jaderné interakce slučují jádra, jsou i dva rozpady beta, při kterých se prostřednictvím slabé interakce přeměňují neutrony na protony za vzniku pozitronu a neutrina. Tento cyklus má několik bočních linií, které však probíhají většinou při vyšších teplotách a ve hmotnějších hvězdách než Slunce. V nich mohou zároveň z uhlíku vznikat těžší prvky. Nejen reakce CNO cyklu, ale i další reakce ve hvězdách a metody, jak se studují v laboratoři na Zemi, jsou popsány v podrobnějším článku o produkci prvků ve vesmíru.

Třetí cyklus reakce je tzv. Salpeterův cyklus nebo tři alfa cyklus. Zde dochází ke splynutí tří jader helia 4 na uhlík 12. To je možné díky existenci excitovaného stavu s odpovídající energií u jádra uhlíku. Tu právě kvůli nutnosti možnosti produkce uhlíku ve hvězdách předpověděl americký astrofyzik Fred Hoyle. Teprve později se jej jaderným fyzikům podařilo potvrdit experimentálně.

Průběh všech těchto reakcí a produkce dostatečné energie je možný jen díky velkému objemu a hmotnosti hvězdných přírodních reaktorů, ve kterých je plazma drženo díky gravitační síle. Proto je možné překonat problém s malou pravděpodobností některých z nich. Při konstrukci termojaderných reaktorů na Zemi je však potřeba využívat jen reakce založené na silné jaderné interakci, které mají dostatečně vysokou pravděpodobnost.

Příklady některých fúzních reakcí a uvolněné energie, které lze využít v umělých fúzních zdrojích.

Jaderné reakce využitelné pro umělý fúzní reaktor

Je několik reakcí, při kterých se slučují ta nejlehčí jádra a lze je pro produkci energie využít. Jejich výhodnost závisí na tom, jakou teplotu plazmatu potřebují k tomu, aby pravděpodobnost jejich realizace dostatečně narostla. A také jak vysoká bude pravděpodobnost, která se vyjadřuje pomocí veličiny účinný průřez, pro dosažitelné teploty. Z tohoto hlediska je nejvýhodnější reakce slučování deuteronu a tritonu, při které vzniká helium 4 a neutron. Zde pravděpodobnost reakce roste a dosahuje maxima mezi teplotami 10^8 až 10^9 K, což je o řád až dva více, než je teplota uvnitř Slunce zmíněná v předchozí části. Deuterium je stabilní vodík s jedním neutronem. Relativně velké množství jej je i v mořské vodě, ze které se dá získat. Tritium už má dva neutrony a je radioaktivní s poločasem rozpadu 12,3 let.

V přírodě se vyskytuje, vzniká totiž interakcí kosmického záření v atmosféře. Produkuje se také například při provozu jaderných reaktorů, zvláště těch, které jsou chlazeny a moderovány těžkou vodou. Ovšem získávání tohoto tritia není moc efektivní. Zatím se tak uvažuje, že se bude produkovat z lithia, které je poměrně běžným prvkem a reakcí neutronu s ním získáme tritium. Jednak v reakci s izotopem lithia 6, kdy vzniká právě tritium a helium 4, ale také v reakci s izotopem lithia 7, kdy vzniká tritium, helium 4 a neutron. V první reakci není potřeba, aby měl neutron energii, stačí jeho záchyt lithiem. Energie se v ní naopak uvolňuje. U druhé však pro rozbití lithia 7 potřebuje neutron poměrně vysokou energii. V přírodě se vyskytuje zhruba 92,5 % lithia 7 a 7,5 % lithia 6.

Druhou možnou reakcí je sloučení deuteronu a helia 3. Zde je třeba vyšší teplota a také maximální účinný průřez je v maximu pro tuto reakci téměř o řád nižší, než je tomu u reakce deuteronu a tritonu. V tomto případě je helium 3 stabilní jádro. Problém je s jeho získáváním. Předpokládá se, že by se ve větším množství mohlo vyskytovat v povrchových vrstvách Měsíce, kde by se mohlo zachytávat ze slunečního větru. Proto se o něm uvažuje při možné expanzi do vesmíru.

Ještě nižší je maximum pravděpodobnosti reakce slučování dvou deuteronů, i teplota pro maximum této pravděpodobnosti je vyšší. V tomto případě je výhodou, že deuterium je lehce dostupné ve velkém množství z mořské vody. S různou pravděpodobností může v této reakci vzniknout helium 4, helium 3 a neutron nebo triton a proton. Nevýhodou je, že u posledních dvou možností se při jedné reakci uvolňuje téměř třikrát méně energie než u zmíněných reakcích deuteronu s tritiem nebo heliem 3. Pokud by se podařilo dosáhnout dostatečně vysokých teplot a hustot plazmatu, aby se dala využívat tato reakce, nebude s palivem pro termojadernou fúzi opravdu žádný problém.

Existuje ještě jedna uvažovaná možnost. A to reakce protonu s izotopem bóru 11, při které vznikají tři jádra helia 4. Bóru 11 je v přírodní směsi 80 %. Paliva by tak byly dostatečné zásoby. Nevýhodou v tomto případě je, že maximum pravděpodobnosti této reakce je až u teploty k 9 miliardám kelvinů.

Otevřený systém s magnetickými zrcadly TMX v roce 1979 (zdroj LLNL – Robert H. Hirschfeld)

Jaké podmínky jsou pro fúzi potřeba?

Pro zajištění dostatečné pravděpodobnosti, a tedy účinného průřezu, reakce potřebujeme mít odpovídající teplotu. Pravděpodobnost reakce se s teplotou mění. Hustota produkce energie je dána pravděpodobností reakce a hustotou plazmatu. Celková produkovaná energie na jednotkový objem je pak dána součinem hustoty plazmatu a dobou jeho udržení. Pro to, aby energie produkovaná fúzními reakcemi v plazmatu překročila významné milníky musí být součin jeho hustoty a doby udržení větší než určité hodnoty. Toto pravidlo poprvé popsal v roce 1955 John D. Lawson a označuje se jako Lawsonovo kritérium.

Existuje několik takových předělů. Prvním je stav, kdy produkovaný fúzní výkon vyrovná výkon potřebný k ohřevu plazmatu. Ten se označuje jako vědecké vyrovnání. Druhým je situace, kdy část fúzního výkonu, která se v plazmatu absorbuje, vyrovná potřebný výkon na ohřev plazmatu. Největší část energie produkované ve fúzní reakci v případě využití deuteria a tritia totiž odnáší neutrony. Ty jsou neutrální a z plazmatu unikají. Tento předěl se označuje jako zápalné vyrovnání. Poslední je, když produkovaný hrubý výkon pokrývá celkovou spotřebu fúzní elektrárny. Tento předěl se označuje jako inženýrské vyrovnání. První předěly jsou zajímavé z hlediska vědeckého zkoumání plazmatu a fúze. Poslední je pak kritický pro případné budování termojaderné elektrárny.

Pro využití fúze deuteria a tritia je optimální teplota 165 milionů kelvinů. A Lawsonovo kritérium pro zápalné vyrovnání přesahuje 10^20 m-3s. Lawsonowo kritérium naznačuje dva velmi rozdílné přístupu k udržení plazmatu, jak se dá naplnit. První možností je relativně malá hustota plazmatu a dlouhá doba udržení. V tomto případě se k udržení plazmatu využívá magnetická past a mluvíme o magnetickém udržení. Druhou možností je velmi vysoká hustota plazmatu, při které stačí pro splnění Lawsonova kritéria i velmi krátká doba udržení. V tomto případě mluvíme o inerciálním udržení plazmatu.

Podrobný rozbor stavu výzkumu v oblasti termojaderné fúze jsem pro Osla psal již před více než deseti lety, tak je zajímavé se podívat na to, co se od té doby podařilo a v jakém stavu je situace nyní.

Laserové zařízení NIF (zdroj LLNL)

Inerciální udržení plazmatu

Při této metodě dosažení dostatečného fúzního výkonu je potřeba stlačením dosáhnout hustoty plazmatu přesahující 10^26 iontů/m3. Doba udržení tak může být kratší než mikrosekunda. Čím vyšší hustoty se při stlačení dosáhne, tím může být doba udržení kratší. To, že dojde ke stlačení a po zapálení fúzních reakcí se horká a hustá zóna ihned nerozletí, je dáno setrvačností. Proto název inerciální udržení. Trochu to připomíná realizaci termojaderných mikrovýbuchů. Aby následky takové exploze vydržela nádoba o poloměru několika metrů, musí být uvolněná energie omezená do hodnot v řádu stovek megajoulů. Množství paliva tak musí být v řádu miligramů.

Nejslibnější metodou inerciální fúze je symetrické stlačení malinké kapičky paliva extrémně intenzivními svazky. Velmi vhodné jsou k tomu svazky laserové, které se rozdělí. Využití laserového paprsku navrhli už v roce 1963 fyzikové G. Basov a O. N. Krochin. Extrémně důležité je zajištění izotropního homogenního ozáření, aby se kapička co nejvíce stlačila. Při asymetrii ozáření pak vystříkne část plazmatu před dostatečným stlačením a dosažením a udržením dostatečné hustoty pro splnění Lawsonova kritéria.

Uvnitř komory zařízení pro inerciální fúzi NIF (zdroj LLNL)

Zařízení NIF v LLNL

A právě dosažení symetrického ozáření a stlačení kapsulky s palivem je kritickým problémem, který se nepodařil vyřešit. Zatím se předpokládá cesta, kdy se využije pro stlačení velmi výkonný laser, jehož svazek se rozdělí a symetricky kapsulku ze všech stran ozáří. Zatím největší a nejpokročilejší zařízení tohoto druhu se postavilo ve Spojených státech. Zařízení NIF (National Ignition Facility) v laboratoři LLNL (Livermore Lawrence National Laboratory) má extrémně výkonný neodymový laser, který dosáhne výkonu 0,5 PW po dobu v řádu nanosekund. V takovém případě je potřeba dosáhnout hustoty přesahující 10^29 iontů/m3. Jeho svazek se rozdělí do 192 svazků a ty se pak využijí pro co nejrovnoměrnější ozáření kapsulky vyplněné směsí deuteria a tritia.

Samotné stlačení paliva je poměrně komplikovaná záležitost. Kapsulka je baňka z umělé hmoty o velikosti zhruba zrnka pepře. Uvnitř ní je zmrazená směs deuteria a tritia. Laserový paprsek může dopadat přímo na kapsulku nebo na speciální zařízení, které se označuje jako hohlraum (německý dutina). Jde o válec za zlata, do kterého svazky laseru vstupují dvěma protilehlými otvory.

V případě využití hohlraumu se při dopadu extrémně intenzivního svazku laseru v ultrafialové oblasti vnitřní stěny dutiny ohřejí a vytvoří se nakonec tepelná rovnováha při velmi vysoké teplotě. Při dosažené teplotě pak dutina vyzařuje rentgenovské záření. To dopadá na plastovou baňku, která se vypaří a rozpíná. Zároveň se tím podle zákona akce a reakce vytvoří podmínky pro implozi paliva uvnitř plastové baňky a jeho extrémní stlačení a ohřátí. Rychlost implodujícího paliva může dosáhnout až několik tisíc km za sekundu. Získá se tak, sice na velmi krátkou dobu, extrémně husté plazma. Pokud by se podařilo vytvořit homogenní ozáření bez asymetrií, mělo by se dosáhnout teploty 50 milionů kelvinů a hustoty plazmatu o dva řády větší, než je hustota olova. V horké tečce uprostřed se tak zapálí fúzní reakce a v nich produkované částice alfa ještě dodatečně ohřívají plazma. Ze středu se tak šíří ohnivá rázová vlna, která postupně zapálí všechno palivo.

Zařízení NIF bylo dokončeno a začalo pracovat v roce 2009. V té době byla zahájená první tříletá experimentální kampaň. Po zkušenostech z předchozích zařízení se nevyužívalo přímé ozařování, ale použil se hohlraum. Během kampaně probíhala neustálá snaha o zlepšování průběhu ozařování laserovým svazkem. Přesto se však nepodařilo podmínek pro zapálení termojaderné reakce dosáhnout, a to platí do současnosti. Zjistilo se, že existuje několik problémů a výzev, kterým je třeba čelit. Palivová kapsulka se nesmršťuje symetricky a nedosahuje se tvaru přesné koule. Ve vznikajícím plazmatu dochází při implozi k nestabilitám, které způsobují turbulenci hlavně na okraji. Dochází k míchání obalového materiálu do paliva a míchání různě teplých vrstev paliva způsobuje ochlazování vnitřních částí. Navíc materiál, který se uvolňuje ze stěny hohlraum, rozptyluje světlo vstupujících laserových paprsků, a tím způsobuje ztráty energie. Samotná konstrukce hohlraum je asymetrická a narušuje symetrie a izotropii ozáření kapsulky.

Simulace Rayleigh-Taylorových hydrodynamických nestabilit realizované pomocí superpočítače BlueGene/L v laboratoři LLNL (zdroj LLNL)

Výsledky snah o zapálení fúzní reakce

Probíhá tak dlouhodobá práce a snaha o zapálení fúzní reakce v palivu uvnitř kapsulky. Mění se tvar a průběh laserového svazku. Nahrazuje se materiál kapsulky z plastu za diamant a zároveň konstrukce, hlavně pak tvar, hohlraumu. Postupné vylepšování vedlo k více než čtyřicetinásobnému zvýšení výtěžku fúze. Už v roce 2012 se podařilo dosáhnout výkonu laserů 500 TW a celkové energii téměř 2 MJ. Přesto se nepodařilo dospět do stádia, aby se ve fúzi uvolněná energie alespoň přiblížila k vyrovnání energii, která se spotřebovala na ohřev plazmatu. Zatím se dosáhlo poměru těchto energií pouze 0,1. Proto se začal uvažovat návrat k přímému ohřevu místo využívání hohlraumu. Tento směr se opustil kvůli problémům se symetrickým ozařováním. V tomto případě jsou nároky na kvalitu a homogenitu laserového svazku ještě větší. Mohla by však pomoci i práce s velikostí a konstrukcí kapsulky. Kritické je také její přesné umístění a celková geometrie celé sestavy. Je jasné, že zajistit přesné umístění objektu o velikosti zrnka pepře není vůbec jednoduché.

Velikost a vliv asymetrií ještě více zvýrazňují Rayleigh-Taylorovy a Richtmyer-Meshkovovy nestability. Jejich studiu, a hlavně toho, jak jim čelit, se věnovaly experimenty nejen na zařízení NIF. Zapojily se i další velké lasery, jako je třeba OMEGA Rochesterské univerzity. Simulace vzniku a vývoje takových nestabilit se realizuje pomocí hydrodynamických modelů na těch největších počítačích. Konfrontace experimentů a simulací by mohla přispět k pochopení jejich zdrojů a nalezení nejvhodnějších parametrů kapsulky i laserových svazků.

Zařízení NIF je opravdu pouze experimentální zařízení. Umožňuje realizovat pouze jeden výstřel laseru za den. V reálné termojaderné elektrárně by to muselo být zhruba deset výstřelů za sekundu. Navíc se ukázalo, že zatím nejsme schopni docílit toho, aby se energie produkovaná fúzí alespoň vyrovnala energii, která se podaří předat plazmatu při výstřelu. A zatím nelze říci, jestli se této mety zlepšováním podmínek a parametrů svazku a terčíku dá na tomto zařízení vůbec dosáhnout.

Tento výsledek je pochopitelně zklamáním, zvláště z hlediska fandů pro využití termojaderné fúze pro pohon budoucích hvězdoletů. U nich se uvažuje právě inerciální fúze, jak je podrobněji popsáno v dřívějším článku na Oslovi. Je však třeba připomenout, že z hlediska USA je nejdůležitějším úkolem zařízení testování chování různých materiálů a plazmatu v podmínkách, které vznikají při výbuchu termojaderné bomby. Je totiž třeba v situaci, kdy testy termojaderných zbraní nejsou povoleny, experimentálně verifikovat programy, které se využívají při projektování těchto zbraní. Zároveň se však také dá testovat plazma ve stejných podmínkách, které existují uvnitř hnědých a rudých trpaslíků. Takže se zdá, že toto zařízení zasáhne významněji do oblasti zbraňového výzkumu a základního výzkumu v oblasti astrofyziky. Stejné cíle a dominantní zaměření na výzkum v oblasti termojaderných zbraní má i podobné zařízení LMJ (Laser MegaJoule) vybudované ve Francii, které pracuje od roku 2014. V roce 2017 zde začal pracovat velký laser PETAL (PETawatt Aquitaine Laser).

Pro stlačení paliva a zapálení termojaderné fúze inerciálním způsobem se kromě laserového svazku dají využít i intenzivní svazky částic nebo iontů. V současné době je však perspektivním směrem výzkum možností sestrojit kompaktní urychlovače částic právě pomocí laserových svazků. Výzkum velmi výkonných laserů a formování jejich svazků je tak velmi důležitým oborem. Je tak velice dobře, že právě v Česku se nyní dokončuje špičkové laserové pracoviště ELI-Beamlines, které má petawattové lasery. Jeho výzkumy mohou přispět i k cestě za inerciálním udržením fúzního plazmatu.

Vnitřní stěny vakuové komory a divertor tokamaku JET se rekonstruovaly do podoby budoucího vybavení tokamaku ITER (zdroj ITER).

Magnetické udržení plazmatu

Při magnetickém udržení plazmatu je jeho hustota o řády nižší, musí se to však kompenzovat délkou jeho udržování. Využívá se při tom pohyb nabitých částic v magnetickém poli a možnost jejich zachycení v tomto poli. Nejdříve se využívaly otevřené systémy, které řeší únik částic pomocí magnetický zrcadel na otevřených koncích. Ovšem přes ně dochází ke značným únikům, kterým se nedaří zabránit. Tento problém vyřešily uzavřené systémy s vakuovou nádobou ve tvaru dutého prstence, ve kterých lze docílit hustoty plazmatu až mezi 10^19 až 10^20 částic/m3, Doba udržení plazmatu tak je potřeba v řádu jednotek až desítek sekund.

V současné době jsou jako nejperspektivnější uvažovány dvě možnosti patřící k uzavřeným systémům, kde magnetické pole nevystupuje z nádoby. První z nich je tokamak a druhou stellarátor. V případě tokamaku se jedná o ruský koncept z počátku padesátých let, za kterým stojí Igor Jevgenějevič Tamm a Andrej Sacharov. Toroidní vakuová komora je umístěna na transformátorovém jádru. Transformátor generuje v plazmatu, které je v daném případě tím jeho sekundárním vinutím, elektrický proud. Ten pak vytváří poloidální magnetické pole. Zároveň má tokamak elektromagnety, které vytváří toroidální magnetické pole. Kombinace těchto polí vytváří magnetické pole ve tvaru šroubovice a uzavřené dráhy pohybu částic plazmatu. Umožňuje tak zachycení a udržení plazmatu uvnitř prstencové vakuové nádoby. Proud, který se v plazmatu vytváří pak lze využít i k jeho ohřevu.

Stellarátor navrhl Lyman Spitzer v roce 1950. Na rozdíl od tokamaku nevyužívá pro vytváření magnetického pole proud v plazmatu. Uzavřenost dráhy částic plazmatu je tak docílena čistě vnějšími elektromagnety. Proto musí mít daleko komplikovanější strukturu cívek elektromagnetů a jimi vytvářeného magnetického pole. Toroidní geometrie nádoby je tak úmyslně zkroucená a má také poměrně komplikovaný tvar.

Tokamak JET je v současné době největším tokamakem (zdroj Efda.org)

Jak plazma ohřát a jak je sledovat?

Jak už bylo zmíněno, v tokamaku se využívá ohřev při průchodu elektrického proudu, který se v plazmatu vytváří. I v plazmatu vzniká elektrický odpor a indukuje se Joulovo teplo. Mluvíme o ohmickém ohřevu. Ohmický odpor plazmatu klesá s růstem jeho teploty, takže tento způsob ohřevu funguje hlavně při nižších teplotách a v počátečních fázích ohřevy. Další možností je ohřev pomocí rádiové vlny vyzařovaný anténami se správnou frekvencí, která je pro elektrony v oblasti desítek MHz a pro ionty v oblasti desítek GHz. Dalším zdrojem energie je ohřev pomocí samotné fúzní reakce. Zde narážíme na problém v případě využití slučování tritia a deuteria. Neutrony, které vznikají a odnášejí větší část uvolněné energie, jsou neutrální, s plazmatem neinteragují a velká část energie tak z plazmatu uniká. Ohřev je dán pouze vzniklými heliovými jádry. Další možností je ohřev vstřikováním neutrálních atomů. V tomto případě se nejčastěji využívá vstřikování deuteria, které zároveň umožňuje dodávat další palivo. Tyto atomy jsou ve formě iontů urychleny a před vstupem do komory tokamaku neutralizovány. Po proniknutí magnetickým polem do plazmatu jsou v něm ionizovány a předají svou kinetickou energii ve srážkám ostatním částicím v plazmatu. Optimální energie je v rozsahu od 40 keV do 1 MeV v závislosti na objemu plazmatu. Tyto energie odpovídají teplotě až stonásobně vyšší, než je u plazmatu.

Velmi důležitá je kontrola vývoje plazmatu a udržení jeho stability. Nestability vedou k jeho ochlazování a vyvedení částic z jeho objemu. Problémem je také, že plazma, které se setká s povrchem vakuové nádoby ji může poškozovat. Kontrolu stavu plazmatu lze provádět přímo pomocí sond nebo nepřímo pomocí detekce částic a záření, které plazma emituje. Pro měření průběhu magnetického pole se využívají různé typy cívek.

Je třeba proměřovat elektrický proud, který protéká plazmatem, a polohu a tvar plazmatu. Stejně tak jeho hustotu, teplotu a tlak v různých místech. Je také třeba měřit rozdíly v teplotách i dalších parametrech u jeho různých složek. Velmi důležité je i zkoumání různých příměsí, které se do něj dostanou a mohou způsobovat jeho nestability. Vyzařování plazmatu ovlivňuje unik energie z něj a ochlazování. Velice podrobně je třeba studovat nestability a magnetohydrodynamické aktivity plazmatu. Důležité je sledování teploty hlavně těch částí povrchu vakuové nádoby, kde se jich plazma může dotýkat.

Problematická místa

Při konstrukci moderních tokamaků, které by dokázaly realizovat zážeh fúze a případné její využití, stojí řada výzev. Je třeba řešit doplňování paliva. To musí překonat bariéru vytvářenou magnetickým polem a dostat se do plazmatu uvnitř něj. Na druhé straně je potřeba řešit odvod spalin, tedy helia z plazmatu a také příměsí, které se do něj dostávají z různých povrchů. K tomu se využívá zařízení, které se označuje jako divertor. Speciální tvar komory i magnetického pole modifikuje odvod částic z vnějších oblastí plazmatu do speciálního místa, kde se na speciálních plochách zachytí a odčerpávají pomocí vývěv.

Kritická je i odolnost vnitřních stěn nádoby. Ty jsou vystaveny velmi vysokému teplotnímu namáhání a extrémní radiaci. Velmi vysoká je totiž dávka způsobená vysokými toky neutronů vznikajících při fúzních reakcích. V jaderných reakcích neutronů s materiálem stěn mohou také vznikat dlouhodobé radioaktivní prvky. Důležitý je tak výběr čistých materiálů, u kterých neutrony v jaderných reakcích takové netvoří.

Článek bude pokračovat druhým dílem…

Úvodní fotografie: Tokamak JET je v současné době největším tokamakem (zdroj: Efda.org)

Štítky: Názorseznam