Výzkumníci z Princeton Plasma Physics Laboratory popsali možnou účinnější cestu k zapálení jaderné fúze. Jejich výpočty naznačují, že by se plazma nemuselo nejprve silně stlačit a následně zahřívat, jak předpokládají některé tradiční přístupy. Výhodnější může být opačné pořadí: nejdříve zvýšit teplotu a až potom hustotu plazmatu. Studie byla zveřejněna v časopise Physical Review Letters.
Plazma je plyn, jehož částice mají tak vysokou energii, že jsou elektricky nabité. Ve fúzních zařízeních se v něm mají spojovat atomová jádra, čímž se uvolňuje energie. Cílem je vytvořit takzvané hořící plazma, v němž samotné fúzní reakce dodávají dostatek tepla k pokračování procesu bez trvalého vnějšího ohřevu.
Výzkumníci vyšli z Lawsonova kritéria. Jde o vztah, který popisuje, jaká kombinace teploty, hustoty a doby udržení plazmatu je potřebná k tomu, aby fúze mohla probíhat samoudržitelně. Podle autorů ale běžná podoba kritéria neukazuje, jak se k této oblasti dostat energeticky nejvýhodněji. Luis F. Delgado-Aparicio, Masayuki Ono a Jonathan E. Menard proto vytvořili jeho rozšířenou verzi, která zohledňuje i další fyzikální procesy.
Model zahrnuje například hromadění helia, které při fúzi vzniká a může ředit palivo, příměsi uvolněné ze stěn reaktoru, synchrotronní záření a tepelné ztráty. Synchrotronní záření vzniká při pohybu nabitých částic v magnetickém poli a odvádí z plazmatu část energie. Výsledkem je realističtější mapa podmínek, za nichž může plazma přejít od stavu závislého na vnějším ohřevu ke stavu, který si teplo vytváří samo.
Autoři v této mapě identifikovali takzvané Cordeyho sedlo, tedy relativně průchodnou oblast na hranici mezi těmito dvěma režimy. Pro její popis používají veličinu Q, která porovnává výkon vznikající při fúzi s výkonem dodávaným vnějším ohřevem. V idealizovaném plazmatu z čistého fúzního paliva leží tato oblast přibližně u hodnoty Q = 5. Skutečné zařízení ale musí počítat s nečistotami, silnými magnetickými poli a dalšími ztrátami, které mohou požadované podmínky zhoršit.
Výpočty upozornily také na citlivost plazmatu vůči wolframu, jenž se používá jako materiál vnitřních stěn některých reaktorů. Podle modelu může příměs wolframu v koncentraci jedna část na 10 000 přibližně zdvojnásobit tlak potřebný k dosažení zapálení. Při rozšíření výpočtů ze dvou na tři rozměry se požadovaný tlak mohl dostat nad hranici stability plazmatu. Ztráty energie přitom nemusí být jen překážkou: mohou také tlumit takzvaný tepelný runaway, při němž rychlejší fúze vytváří více tepla a tento proces se sám zesiluje.
Navrhovaný postup zatím nebyl ověřen experimentálně. Studie je teoretická a vychází z matematických výpočtů; současná zařízení podle autorů nedosahují teplot spojených s Cordeyho sedlem. Tým chce proto pokračovat počítačovými simulacemi. Výsledek tak nepředstavuje demonstraci funkčního fúzního reaktoru, ale nástroj pro posuzování, jaké podmínky a konstrukční řešení by budoucí zařízení mohla potřebovat.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.