Plazma

 .
.
. . .

Zařízení pro jadernou fúzi

Udržení plazmatu se týká hlavně dosažení Lawsonova kriteria, přičemž největších pokroků se dosáhlo v udržení pomocí magnetického pole. Bylo vyzkoušeno vícero metod, avšak v současnosti se hlavní experimentální úsilí zúžilo na tyto přístupy:

Obr. 2 a 3.

Hlavní řešení

Udržení plazmatu se týká hlavně dosažení Lawsonova kriteria, přičemž největších pokroků se dosáhlo v udržení pomocí magnetického pole. Bylo vyzkoušeno vícero metod, avšak v současnosti se hlavní experimentální úsilí zúžilo na tyto přístupy:

V minulosti nadějný směr – udržení plazmatu pomocí z- a θ-pinčů ztroskotal na rozhodující zkoušce stability toroidální konfigurace.

Uzavřené – toroidální systémy

VV jednoduchých toroidálních systémech s konfigurací magnetického pole jako na obr. 2 vzniká problém s únikem elektronů a iontů. Vlivem mnoha nestabilit dochází k ambipolární difůzi a tím vzniku elektrického pole. Následný E×B drift snadno způsobí celkový rozpad plazmatu. Aby se tomuto efektu zabránilo, je potřebné, aby toroidální systém měl zkroucené siločáry magnetického pole (obr. 3). Zkroucení siločar se dosahuje rozličnými způsoby, podle toho dělíme toroidální systémy na další skupiny:

Kromě samotného problému s konfigurací magnetického pole tak, aby vytvořilo rovnovážný stav, vystupuje ve všech systémech i problém s udržením jeho stability. V tomto směru se nejlepších výsledků dosáhlo pomocí tzv. střižného magnetického pole (obr. 4).

Obr. 4.

Stellarátory

Obr. 5.

Stellarátory dosahují závitnicové a střižné pole jenom pomocí vnějšího vinutí (obr. 5). Výhodou stellarátorů je možnost odděleného vyšetřovaní stability magnetického pole a ohřevu plazmy. Sterallátory také nepotřebují proud tekoucí v plazmatu, jsou tedy vhodné pro práci v ustáleném stavu. Nevýhodou zůstává značná složitost konstrukce a nesymetričnost vůči hlavní ose, čímž vznikají dodatečné elektrické pole způsobující další nestability.

Tokamaky

Tokamaky jsou v současnosti nejúspěšnějším zařízením sloužícím k výzkumu termonukleárních reaktorů. Závitnicové magnetické pole je způsobené na jedné straně silným toroidálním polem Bt, doplněným poloidální Bp složkou, kterou vytváří silný proud v plazmatu samotném (obr. 6). Kromě toho je potřebné přidat ještě pole ve vertikálním směru Bv, které působí proti přirozené rozpínavé tendenci prstence.

Obr. 6.

Nespornou výhodou tokamaku je dokonalá symetrie kolem hlavní osy, což ulehčuje konstrukci, nevýhodou je nemožnost odděleného výzkumu ohřevu a stability, protože proud procházející plazmatem je nezbytný jak pro vytvoření závitnicového pole, tak i pro samotný ohřev plazmatu. Další nevýhodou je problematičnost práce v ustáleném stavu, protože proud v plazmatu je indukovaný pomocí transformátoru, tedy jen po velmi krátký časový úsek. Možným řešením jsou jiné formy ohřevu plazmatu, které po primární fázi udržují plazma na požadované teplotě Určitým vylepšením tokamaku je použití tzv. H modu (plazma ma průřez ve tvaru písmene D) (obr. 7), který zlepšuje stabilitu plazmatu. Zásadním problémem tokamaku je silná difůze plazmatu ke stěnám. Oproti prvotním odhadům z 50. let jsou difůzní koeficienty až o 2 řády vyšší a dodnes se tento rozpor nepodařilo plnohodnotně zdůvodnit. Pravděpodobnou příčinou jsou turbulentní jevy v okrajových částech plazmatu.

Obr. 7.
Obr. 8.

Multipóly

Multipóly jsou zařízení s magnetickým polem převážně v poloidálním směru, způsobené vodiči umístěnými přímo v plazmatu (obr. 8). Superpozice magnetických polí od jednotlivých vodičů vytvoří uprostřed mezi vodiči minimum magnetického pole, což je důležité z hlediska rovnováhy a stability plazmatu.

Hlavním problémem multipólů je udržení vnitřních prstenců a jejich proudové napájení, jelikož se nacházejí v plazmatu a a dochází na nich ke ztrátám. Jediný způsob, jak zabránit ztrátám, jsou levitující prstence, avšak systémy se stávají natolik složité, že se o nich jako o potenciálních reaktorech už neuvažuje.

Další zařízení toroidálního typu odstraňují některé nedostatky uvedených zařízení a pomáhají pochopit některé efekty vznikající v plazmatu, avšak pro potřeby termonukleárního reaktoru jsou nepoužitelné.

Obr. 9.

Otevřené systémy – zrcadla

Obr. 10.

Princip udržení plazmatu pomocí magnetických zrcadel je založený na poznatku, že magnetický moment rotujících částic je invariantní. Tento efekt způsobuje, že se částice z oblasti se slabým polem v oblasti se silným polem odrazí nazpět (obr. 9). Problémem jednoduché konfigurace zrcadel zůstává nestabilita, která se odstraňuje zapojením cívek do konfigurace baseballové cívky (obr. 10), nadále však zůstává nevyřešený problém difúze, která zapříčiňuje únik částic v celém objemu.

Lasery

Lasery jsou zařízení schopné vytvořit neuvěřitelné hustoty energie (1019 W/m2), co může být využité k zapálení termonukleárních reakcí. Při vlastním studiu zařízení použitelných pro potřeby termonukleárních reakcí se uvažuje systém, kde je laserové světlo fokusované na malý terčík pevného DT s obrovskou hustotou (obr. 11). Laserové paprsky přitom musí být fokusované na terčík ze všech stran, musí být dostatečně izotropní a teplota, na kterou se terčík zahřeje, nesmí být ani příliš vysoká ani příliš nízká. Laserové systémy umožňují odstranit problémy s magnetickým udržením, avšak přinášejí další problémy, které omezují jejich využití.

Obr. 11.

Ohřev plazmatu

Vyřešením problémů spojenými s udržením plazmatu se cesta za ovládnutím termonukleárních reakcí zdaleka nekončí. Jedna z dalších úloh, které musí byt vyřešeny, je ohřev plazmatu na dostatečnou teplotu. Při studiu ohřevu plazmatu se uvažuje o následujících metodách:

  1. 1.Ohmický ohřev: Plazma je ohříváno Joulovým teplem disipovaným přechodem proudu plazmatem. Je to základní metoda ohřevu plazmatu v  tokamacích.Tento typ ohřevu je použitelný pouze pro nízké teploty, protože odpor plazmatu klesá s teplotou.
  2. Ohřev elektromagnetickou vlnou: Plazma je obklopené vysokofrekvenční cívkou, která excituje v plazmatu elektromagnetickou iontovou nebo elektronovou vlnu na rezonanční frekvenci. Tato vlna je dále absorbovaná částicemi při cyklotronním urychlování.
  3. Vstřikování neutrálního svazku: Urychlením ionizovaného svazku a jeho následnou neutralizací je možné vytvořit svazky s energií 104 eV a vyšší. Neutrální částice vstupují do magnetického pole a vyměňují si náboj s chladnými ionty. Pomalé neutrální částice pak ze systému unikají a rychlé ionty vstupují do termonukleárních reakcí nebo se nadále zpomalují a zahřívají plazma.

Existují i další metody ohřevu plazmatu, avšak z technického hlediska nejsou na takové úrovni, aby se o nich dalo v blízké budoucnosti uvažovat.

Technické problémy termonukleární reakce

Překonáním problémů s udržením resp. ohřevem plazmatu přijde na řadu řešení problémů technologického charakteru.

  1. Materiály stěn: Stěny musí být vytvořené z materiálu odolného vůči vysokým teplotám, který se nebude rozprašovat při dopadu nabitých částic a nebude se neutronovou aktivací měnit na radioaktivní materiál s dlouhým poločasem rozpadu. To v praxi znamená, že ocel ve stěnách nesmí obsahovat žádný kobalt a podobné prvky, divertor bude nejspíše složen z wolframových desek, uvažuje se i o CFC komponentech. Dilema spočívá v tom, že existují látky (jako např. wolfram), které jsou poměrně odolné vůči iontovému bombardování, ovšem pokud dojde k uvolnění atomu takovéto látky do plazmatu, způsobuje tam značné tepelné ztráty. Na druhé straně jsou materiály (většinou na bázi uhlíku nebo berylia), které se poměrně hodně rozprašují, ale v plazmatu nepůsobí tak velké škody. Dalším problémem je odolnost stěn vůči vysokým tokům energetických neutronů vznikajících při DT reakci
  2. Tritium: Začleněni tritia do fůzních reakcí přináší problémy s radioaktivitou, jak již bylo popsáno v předchozí kapitole.
  3. Magnety: Objem prostoru, ve kterém je požadováno vysoké magnetické pole je z ekonomického hlediska nejvyznamější faktor limitující velikost fúzních zařízení.
<< Předchozí (Termonukleární fúze)   [Nahoru]  Další (Termonukleární fúze – Využití laserů) >>