Plazma

 .
.
. . .

Problémy

Hlavní problémy spojené s vývojem termonukleárního reaktoru můžeme rozdělit na víc skupin:

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

V jednoduchých toroidálních systémech s konfigurací magnetického pole jako na obr. 2 vzniká problém s únikem elektronů a iontů v směru E×B, kde E je elektrické pole způsobené driftem nabitých částic. Plazma se stává nestabilním a dochází k problému s jeho udržením. 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. 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 nemožnost práce v ustáleném stavu, protože proud v plazmatu je indukovaný pomocí transformátoru, což způsobuje neustále rozpadaní a vytváření plazmatu při každém impulsu transformátoru. Určitým vylepšením tokamaku je použití trojúhelníkového průřezu (obr. 7), který zlepšuje stabilitu 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. Ohmický ohřev: Plazma je ohříváno Joulovým teplem disipovaným přechodem proudu plazmatem. Je to základní metoda ohřevu plazmatu v stellarátorech a tokamacích.
  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 proměňovat na radioaktivní materiál s dlouhým poločasem rozpadu.
  2. Lithiový plášť: Vrstva potřebná k produkci tritia a zachytávání neutronů má vážné problémy s korozí.
  3. Konstrukce magnetů: Stavba supravodivých magnetů vyžaduje výkonný chladící systém.
<< Předchozí (Termonukleární fúze)   [Nahoru]  Další (Termonukleární fúze – Využití laserů) >>