Užitečný nepřítel aneb turbulence vítány!

Představit všechny materiály používané v tokamaku ITER, byť jen heslovitým způsobem, by bylo nad síly jednoho článku. Všimněme si ale jedné zajímavosti, která na první pohled popírá dosavadní snahy o co nejvyšší kvalitu termojaderného plazmatu. Jsou případy, kdy nám nežádoucí turbulence v plazmatu naopak pomáhají.

Na materiály, kterými může být vystlána vnitřní stěna vakuové komory pro uchovávání plazmatu, se kladou nejrůznější požadavky: např. extrémní odolnost vůči tepelnému namáhání, či co nejmenší počet elektronů v obalu jádra.

Hledání materiálů

Nároky na materiály pro fúzní zařízení přirozeně v průběhu výzkumu rostly s rostoucím obsahem energie ve studovaného plazmatu. První tokamaky používaly skleněné nebo keramické vakuové komory. Stěny komory už tehdy uvolňovaly do plazmatu nečistoty, které plazma ochlazovaly. Dominoval křemík. Záměnou keramiky za ocel se vyměnily ochlazující prvky – místo křemíku se objevil kyslík či dusík, plyny absorbované povrchem komory. Pomohlo vypékání komory topnými spirálami či „trénováním“ doutnavým výbojem. Další zvyšování energie plazmatu způsobilo další typ  znečistění - samotnými stavebními prvky materiálu stěn, zejména železem. Železo má v obalu 24 elektronů, ne všechny se v plazmatu odtrhávají a bloudící ionty pak plazma ochlazují. Příměsi v konstrukčních ocelích, v tomto případě například chrom či nikl, jsou na tom co do počtu elektronů podobně. Nastoupila uhlíková éra. Uhlík se v plazmatu plně ionizuje a nebezpečí ochlazování pominulo. Energie plazmatu pro experimenty mohla být opět trochu větší. Tu se objevilo nové strašidlo. Jmenovalo se odprašování. Uhlíkové částice uvolněné ze stěn způsobily v horkém jádru plazmatu tzv. „uhlíkovou katastrofu“ [carbon blooming], kdy plazma skokově vychladlo. Bylo nutné hledat pro první stěnu nový materiál. Volba padla na berylium. Prvek se tak snadno neodprašuje a přitom je při používaných teplotách plně ionizován. Tepelnou odolnost měl v normě, ba dokonce lépe než v normě – snášel jednotky MW/m². Další růst energie plazmatu však věští problémy a berylium dnes přestává vyhovovat, ačkoli vnitřek mezinárodního tokamaku ITER ve výstavbě s beryliem na povrchu vakuové komory počítá. ITER bude na plochu 610 m² potřebovat 12 tun (mírně toxického, karcinogenního) berylia.

Žádné těžké prvky! Nebo ano?

Je dobré připomenout, že standardní situace ve vakuové komoře uvažuje spíše náhodné než předpověditelné stěnové ataky energií schovaných v jazycích plazmatu. Stěny jsou stacionárně namáhány především brzdným zářením elektronů v elektrickém poli iontů. Brzdné záření je úměrné kvadrátu Z_eff (efektivní atomové číslo) takže opět prosím žádné těžké prvky v DT plazmatu! Dnes již fungují dva velké tokamaky, které berylium na stěnách vakuové komory vyměnily za velmi hmotný prvek – wolfram: německý ASDEX Upgrade a nedávno francouzský Tore Supra dokonce kvůli tomu změnil i název – WEST (Wolfram Environment in Steady-state Tokamak). Jaká doporučení poskytnou demonstrační elektrárny? Čas ukáže!

Odpověď neznáme, dokud to nevyzkoušíme

Je třeba nabrat zkušenosti. Podle Vladimíra Weinzettla, vedoucího diagnostické sekce pražského tokamaku Compass platí: „Zkušenosti z ASDEX-U s wolframem jsou jednoznačné - všechno se chová jinak než s uhlíkovou stěnou, a to kvůli jiné chemii s vodíkem, jinému parazitnímu ohřevu komponent, jiné vodivosti povrchu a jiné absorpci vodíku v materiálu. Wolfram v plazmatu (74 elektronů v obalu!!) se samozřejmě akumuluje, což je průšvih, takže se hledají cesty, jak z toho ven. A zdá se, že možná i úspěšně. Ale jak moc jsou poznatky extrapolovatelné na ITER a pak budoucí DEMO, o tom se jen spekuluje.“

Divertor je z wolframu

Zcela jiná situace je v části vakuové komory zvané divertor. Speciálně tvarované magnetické pole v okolí divertoru nejen, že nebrání plazmatu se dotknout stěn (terčů) divertoru, ono ho k dotyku přímo nabádá. Divertor na svých terčích shromažďuje nečistoty z povrchu plazmatu spolu s fúzním odpadem – heliem. Neutralizované je pak pohlcují nenasytné jícny vakuových pump. Tepelné namáhání je mnohonásobně větší než ve vakuové komoře. Počítalo se s desítkami MW/m² a odvážlivci dnes hovoří o stovkách MW/m².  To je slušná porce i pro jinak odolný wolfram.

Turbulence jsou nepřítel

Dovolte mi malou odbočku od fúzních materiálů k nestabilitám plazmatu. Oba pojmy spolu souvisí. Kupříkladu nestability okrajového plazmatu zvané ELM (Edge Localized Modes) vysílají jazyky horkého plazmatu napříč udržujícím magnetickým polem a po kontaktu se stěnou komory prověří její kvalitu: stěna se odprašuje, nataví se, popraská, odloupne atd. Turbulentní plazma má k nestabilnímu velmi blízko. Turbulence byly proto odjakživa nepřítelem fúzních fyziků. Nic ale není černobílé.

Turbulence jsou přítel

Takže nás asi úplně nepřekvapí, když se výzkumníci PPPL (Princeton Plasma Physics Laboratory) zeptali superpočítače Titan v Oak Ridge Leadership Computing Facility, jak zabránit destrukci divertoru (o kterém jsme si řekli, že musí odolat stovkám megawatů tepelných toků na čtvereční metr). Víte, co jim Titan odpověděl? V tokamaku ITER, v důsledku rozměrného plazmatu (800 m³), by mohly okrajové turbulence plazmatu rozptýlit dopadající teplo na větší plochu divertoru a podstatně zvýšit šířku tepelného toku. Jinými slovy, zmenšit plošnou hustotu dopadající energie a zmenšit tak tepelné namáhání divertorových terčů. Najednou jsou nám turbulence dobré! Zatímco ve vakuové komoře zůstávají turbulence nežádoucí, v okolí divertoru je uvítáme? Možná!