Magneto-inerciální fúze

Standardní klasifikace řízené termojaderné fúze rozeznává dva přístupy: inerciální (Inertial Confinement Fusion, ICF) a magnetický (Magnetic Confinement Fusion, MCF). Magnetické udržení využívá omezujícího vlivu magnetického pole na volnost pohybu nabité částice. Plazma se na termojadernou teplotu ohřívá v magnetické nádobě. Inerciální fúze nepoužívá žádné síly k udržení, ale vychází ze základní vlastnosti hmoty, ze setrvačnosti. Všechny procesy potřebné k uvolnění fúzní energie – ionizace, ohřátí a fúze – musí proběhnout v palivu rychleji, než se palivo v důsledku kinetického odstředivého tlaku rozletí do prostoru. Oba přístupy vycházejí z krajních hodnot součinu Lawsonova kritéria:

hustota × doba udržení energie ≥ funkce teploty a typu fúzní reakce

Velkou hustotu a krátkou dobu udržení využívá inerciální udržení, malou hustotu a dlouhou dobu udržení umožňuje magnetické udržení. Je tu však ještě "něco mezi".

Definice magneticko-inerciální fúze

Kam zařadit zařízení fungující na principu pinče – stlačení a ohřátí plazmatu magnetickým polem elektrického proudu protékajícího tímto plazmatem? Popis „něco mezi“, který jsem používal, nedávno nahradil termín Magnetická a inerciální fúze  (Magneto-Inertial-Fusion). Magnetická a inerciální fúze (MIF) je přístup, který kombinuje ohřev stlačením (ICF) s magneticky sníženým transportem tepla a „magneticky“ zesíleným ohřevem alfa částicemi – produkty DT fúzní reakce.

Výhody MIF

Z pohledu MCF je to vyšší hustota, kratší časy udržení a kompresní ohřev jako dominantní mechanismus ohřevu, které snižují dopad případné nestability. Z pohledu ICF jsou primárním přínosem potenciálně řádově snížené hodnoty obtížně dosažitelného parametru (ró)r (plošná hustota = hustota (ró) × poloměr) a potenciálně významné snížení požadavků na rychlost rozvoje hydrodynamické nestability pohaněčů (driverů) komprese.

Ve skutečnosti je teoreticky možné zapálení od (ró)r ≤ 0,01 g/cm² až po konvenční hodnoty ICF (ró)r~1,0 g/cm², a stejně jako u MCF rozhoduje o zapálení spíše velikost magnetického pole B než (ró)r, a to z důvodu zvýšeného využití ohřevu částicemi alfa. Velkou výhodou MIF je skutečně extrémně široký dovolený prostor parametrů, který mu umožňuje větší univerzálnost při překonávání obtíží použité technologie. Režim hustoty MIF se nachází v poměrně neprobádané oblasti fyziky magnetizovaného plazmatu a interakcí plazma-materiál.

Stav výzkumu MIF

Světovým lídrem ve výzkumu MIF jsou USA. Za posledních deset let výrazně vzrostl zájem o výzkum koncepce MIF. Tým, vedený laboratoří Los Alamos National Laboratory (LANL) a výzkumnou laboratoří vzdušných sil (Air Force Research Laboratory, AFRL), zkoumá kompresi pevnými linery (tenkými pevnými obaly) magneticky držených plazmových konfigurací s reverzními poli (FRC, Field Reverse Configuration) pro dosažení teplot odpovídajících kilovoltovým energiím částic.

Vědci na Univerzitě v Rochesteru v laserovém zařízení OMEGA zavedli do středu terčíků magnetická pole a tato pole stlačili implozí lineru laserem OMEGA. Získali rekordní hodnoty magnetického pole a prokázali zvýšení výtěžku neutronů. Bohužel poslední zprávy nejsou povzbuzující: prezident D. Trump chce laserové zařízení OMEGA demontovat, ačkoli podstatnou část pracovního času OMEGA využívá armáda.

Sandia National Laboratory vyvíjí MagLIF (Magnetized Liner Inertial Fusion), ve kterém magneticky hnaný berylliový liner, implodovaný pomocí zařízení Z-machine, adiabaticky stlačuje laserem předehřáté magnetizované terčíkové DT plazma. Loni bylo v první sérii integrovaných výstřelů MagLIF pozorováno více než 10¹¹-10¹² DD neutronů, což naznačuje značné zlepšení výkonu v důsledku přítomnosti předehřátého a magnetizovaného paliva v terčíku.

V Los Alamos National Laboratory jeden z týmů zkoumá možnost stlačení a imploze plazmového lineru použitím kulového dostředně mířícího souboru výbuchem hnaných plazmových trysek .  Nezničí se tak materiálové linery nebo transmisní vedení

Soukromá společnost General Fusion (GF) v Kanadě vyvíjí fúzní kompaktní toroidální plazmový zdroj a počítá s opakovaně odpalovanými akustickými písty (drivery), které by nastartovaly kompresi tekutého lineru magnetizovaného terčíku. GF vychází z koncepce LINUS.

Historie a stav MIF

Počátky činnosti v oblasti MIF lze vystopovat ve výzkumu řízené fúze s implodujícími linery v Kurčatovově Ústavu pro atomovou energii, pod vedením E. P. Velichova, už kolem roku 1970. To inspirovalo projekt Linus v Naval Research Laboratory, a později projekt rychlého lineru v Los Alamos. V Rusku získala MIF formu nazvanou MAGO (MAGnitnoye Obžatie neboli magnetického stlačení. Výzkum byl poprvé odtajněn ruskými vědci po skončení studené války, následovala experimentální spolupráce s LANL. V současné době drží ve výzkumu MIF vedoucí postavení jednoznačně USA, avšak pokusy probíhají také v Číně a ve Francii. Rusko uvedlo, že ke studiu koncepce MIF staví impulsní energetickou jednotku ve srovnání se Z-machine na dvojnásobek proudu (~ 50 MA) a čtyřnásobek energie. Tyto přístupy pokrývají časové rozmezí délky impulzu od nanosekund do stovek mikrosekund a všechny se potýkají s různými problémy "terčíkové fyziky".

Vlastnosti koncepcí fúzních elektráren MIF

Vytváření plazmových terčíků                  Laboratoř, zařízení

-        vnější                                                GF, NRL, Linus, AFRL/LANL, MSNW/Helion

-        in situ                                                LANL, FLR, SNL, Z-IFE, SNL, MagIF, PJMIF

Typ plazmového terčíku

-        FRC                                                   NRL, Linus, AFRL/LANL, MSNW/Helion

-        Sféromak                                           GF, PJMIF

-        Z-pinč                                                tokem stabilizovaný nebo stupňovitý Z-pinč

-        jiné                                                    SNL, Magl.IF, standoff s vysokým beta

Ohřev

-        Stlačení pevným linerem                                            LANL, FLR, Helion

-        Stlačení kapalným linerem                                         NRL, Linus, GF

-        Stand-off                                                                  LANL, Hyper-V, PJMIF

Stěny vakuové komory

-        suchá stěna                                                              LANL/Hyper-VPJMIF (TBD)

-        tenká kapalná stěna (film)                                         SNL, Mag IF (TBD)

-        tlustá kapalná stěna                                 NRL, Linus, SNL, Z-IFE, Mag IF, AERL/LANL

Jednorázové komponenty/odstranitelné zbytky

-        žádné                                                                GF, Linus, PJMIF

-        zásobníky (vodiče, cívky, atd.)                 LANL, FLR, SNL-IFE, SNL, Mag IF, AFRL/LANL

Závěr

Magneto-inerciální fúze je inspirativním přístupem k dosažení impulzní fúze v laboratoři a spojením vlastností magnetických i inerciálních fúzních udržovacích systémů. Snižuje požadavky na napájení tím, že zpomaluje časový interval stlačení při slučování s mnohem vyššími hodnotami, než používá magnetická fúze. V současné době se zkoumá více variant a možnosti tvorby hořících plazmat v laboratoři jsou na dosah.