Zvýšení výkonu jaderné fúze

Jadernou fúzi už do jisté míry umíme. Dvě lehká jádra fúzují za vzniku těžšího. Nicméně hmotnost výsledného jádra je menší než součet hmotností jader fúzujících. Notoricky známý Einsteinův vzorec E = mc² tvrdí, že veškerá „ztracená“ hmota se přeměnila v energii, která ohřívá plazma a kterou bychom rádi využili.

Kdo jen trochu zavadil o problematiku udržení termojaderného plazmatu, dobře ví, jakou neplechu dokáží napáchat tzv. nestability plazmatu. Ať už je to elektromagnetické záření nebo magnetohydrodynamické toky částic, jsou příčinou nekontrolovatelných úniků elektromagnetické energie nebo částic mimo reakční prostor, což jednak ochlazuje plazma, jednak ničí stěny vakuové komory. Je známý výrok předsedajícího jedné z plazmatických konferencí v minulosti, kdy uvítal účastníky slovy: „Sláva, podařilo se nám eliminovat nestabilitu, která nás potrápila na posledním setkání, ale bohužel, také jsme objevili tři nové nestability!“

Nové výsledky publikované v Physical Review Letters naznačují, že pozitivní dopad na výkon fúzního plazmatu mohou mít, možná překvapivě, nestability v plazmatu buzené energetickými částicemi.

Maxwellovský ocásek

Maxwellovo rozdělení částic podle jejich rychlosti má tvar kopce, který začíná v nule – v počátku souřadnic a pokračuje do nekonečna, čím dále od počátku napravo tím méně a méně částic má větší a větší energii. „Ocásek“ Maxwellova rozdělení představují částice s velkou energií, kterých je málo. Ve 150 milionech stupňů horkého plazmatu tokamaku ITER bude Maxwellovský ocásek částic ještě žhavější – s teplotami řádově 15 miliard °C. Tyto energetické částice, které se zrodily z fúzních reakcí nebo z působení dodatečných ohřevových systémů, jsou nezbytné pro udržení vlastní teploty plazmatu, což je klíč k dosažení vysokého výkonu v budoucích fúzních reaktorech.

Přítomnost energetických částic však může vybudit nestability v jádru plazmatu, jako je již zmíněná „rybí kost“ (fishbone), která je pojmenována podle tvaru, jakým se projevuje záznam magnetických měření (viz obrázek). Předpokládalo se, že pokud je amplituda této nestability dostatečně velká, může vést k redistribuci energetických částic jádra plazmatu, což zhorší proces samoohřevu plazmatu (ohřev alfa částicemi – produkty fúze).

Obrázek (a):  Časový vývoj magnetického signálu během výtrysku nestability zvané „rybí kost". (Kredit: ITER Organization, http://www.iter.org/)

Obrázek b):  Módová struktura nestability "rybí kost" v ITER, znázorněná v poloidální rovině tokamaku (průřez malým/vedlejším poloměrem). (Mód je někdy název samotné nestability jako celku nebo její části lišící se od jiných částí energií, směrem, velikostí, atd.)  (Kredit: ITER Organization, http://www.iter.org/)

Generace toků nestabilitou

Prostřednictvím mezinárodní spolupráce zahrnující organizaci ITER, USA, Francii a Čínu vědci poprvé prokázali, že amplitudu nestability rybí kostra lze významně snížit samogenerováním silných toků v plazmatu (generace toků nestabilitou). Výzkum byl proveden pomocí nejmodernějšího softwaru pro simulaci plazmatu vyvinutého na University of California Irvine, Princeton Plasma Physics Laboratory a École Polytechnique v Paříži. Simulace popisovaly experimentální plazmový výboj v tokamaku DIII-D patřícímu General Atomics (San Diego, USA), který byl vybrán pro popis dynamiky energetických částic v ITER. Tento experiment naznačoval, že excitace nestability "rybí kost" se naopak projeví nečekaným prudkým zvýšením výkonu plazmatu (sekundární efekt zvýšení toku samotnou nestabilitou "rybí kost").

Vysvětlení nadějného výsledku experimentu

Tím, že v simulacích umožnila nestabilita "rybí kost" sama generovat tok plazmatu, byly modely plazmového softwaru schopny poprvé pochopit experimentální pozorování amplitudy nestability "rybí kost" a podíl energetických částic, které byly nestabilitou přerozděleny. Navíc toky plazmatu v simulacích byly dostatečně silné, aby potlačily turbulentní transport v plazmovém jádru, což odpovídalo pozorovanému prudkému zvýšení výkonu plazmatu v experimentu DIII-D. Podobné výsledky simulace byly získány v předpovědích pro Tokamak ITER.

Tyto výsledky, publikované ve Physical Review Letters, ukazují, že nestability buzené energetickými částicemi mohou mít pozitivní dopad na výkon fúze a že nejsou vždy škodlivé. Otevírá to dveře pro vývoj vysoce výkonných scénářů v ITER, které mohou využít tento nový fyzikální poznatek o generování toku plazmatu nestabilitou „rybí kost“.

(Volně podle Simona Pinches, vedoucího sekce plazmového modelování a analýzy.)

Zdroj: G. Brochard (postdoktorand Monaco-ITER), C. Liu, X. Wei, W. Heidbrink, Z. Lin, N. Gorelenkov, C. Chrystal, X. Du, J. Bao, A. R. Polevoi, M. Schneider , S. H. Kim, S. D. Pinches, P. Liu, J. H. Nicolau a H. Lütjens. Phys. Rev. Lett. 132, 075101 — Zveřejněno 16. února 2024