Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 51 – vyšlo 22. prosince, ročník 1 (2003) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

51/2003

Kapalná lithiová stěna výrazně ovlivní fúzi

Václav Kaizr

Tento bulletin je jakýmsi pokračováním Bulletinu 18. Jak se zdá, další způsob jak dovést termojadernou fúzi ku zdárnému cíli je modifikovat prostor, kde má dojít k zapálení reakcí. Jednou takovou možností, jejíchž vlastnosti se zkoumají, je vytvoření kapalné "stěny" z lithia uvnitř reaktoru. Zařízení, na kterém byl testován vliv lithia na vlastnosti uvnitř reaktoru, se nazývá CDX-U a je umístěno v Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) na oddělení Department of Energy (DOE).

Termojaderná fúze - Slučování lehčích prvků na prvky těžší, při kterém se uvolňuje energie. K praktickému využití přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium. CDX-U - zkratka pro Current Drive eXperiment Upgrade. Malý toroidální reaktor pro ověřování teorií pro větší zařízení, umístěn v PPPL od roku 1993. Parametry: hlavní poloměr 34 cm, vedlejší poloměr 22 cm, toroidální pole 2 kG, maximální proud plazmatem 100 kA, teplota elektronů 100 eV, koncentrace elektronů 5×1019 m−3. TFTR - Tokamak Fusion Test Reactor, tokamak v PPPL fungující od roku 1982 do roku 1997. V tomto reaktoru byla dosažena rekordní teplota plazmatu - 510 milionů stupňů celsia. JET - Joint European Torus, zařízení postavené v anglickém Culhamu. Stavba byla započata v roce 1978 a byla dokončena v roce 1983. První řízená termojaderná syntéza ve "větším množství" byla uskutečněna v roce 1991 (1 MW), v roce 1997 byl dokonce dosažen fúzní výkon 16 MW. Činnost reaktoru byla ukončena v roce 1999. CASTOR - Czech Academy of Sciences TORus, nejstarší fungující tokamak v České republice, dostavěn v roce 1983, poloměr 40 cm. Tore Supra - tokamak postavený v blízkosti hradu Cadarache ve Francii. Stavba byla započata v roce 1982 a první plazma bylo v tokamaku vytvořeno v roce 1988. Průměr komory tokamaku je 2,25 m. V roce 1996 se zde dosáhlo rekordního udržení plazmatu 2 minuty a v roce 2003 dokonce 6,5 minuty.

Tokamak (TOroidnaja KAmera a MAgnetnyje Katuški)

Na konci padesátých let se v Sovětském svazu zrodila koncepce TOKAMAKu. Jejím zakladatelem byl L. A. Arcimovič. Jde v podstatě o transformátor, jehož sekundární cívka má jeden závit ve tvaru toroidální trubice. Uvnitř toroidálního prstence se nachází náplň v podobě deuteria a tritia. Elektrický proud primárního obvodu transformátoru indukuje elektromotorické napětí v sekundárním obvodu. Tím vznikne výboj, plyn se ionizuje a indukovaný proud ho zahřívá na vysokou teplotu.

Magnetické pole tohoto proudu v kombinaci s dalšími pomocnými poli udrží vzniklé plazma v ose toroidu, takže se nedotýká stěn komory. Plazma je drženo magnetickým polem uvnitř reaktoru, proto je teplota stěn pouhých 1000°C až 1300°C. Rozměry reaktoru a jeho výkon závisí obyčejně na vlastnostech materiálů, které tvoří plášť reaktoru, nikoli na vlastnostech plazmatu. Předpokládaný elektrický výkon těchto reaktorů by mohl dosáhnout 2÷3 GW. Do vyčerpané prstencové vakuové nádoby se napustí pracovní plyn s hustotou částic 10¹⁸÷10²¹ m⁻³. Proudem několika kA až MA se plazma zahřeje na teplotu 1÷2 keV. K dosažení potřebné teploty okolo 10 keV je potřeba použít jiné metody ohřevu: například ohřev absorpcí elektromagnetické iontově cyklotronové vlny ionty, ohřev cyklotronní elektronovou rezonancí, vstřikováním neutrálního svazku (také pro dodání paliva), ohřev parametrickými vlnami - využitím intenzivních mikrovlnných nebo infračervených laserových svazků.

Neutrony vznikající při reakci deuteria a tritia vyvolají určitou sekundární radioaktivitu konstrukčních materiálů. To by z dlouhodobějšího hlediska mohlo vést k degradaci materiálu reaktoru. Radioaktivita vzniká při pohlcování energetických neutronů vznikajících při fúzi. Více informací o konstrukci tokamaků naleznete v Bulletinu 39.

Popis zařízení v PPPL

Značným problémem je udržet plazma horké po dostatečnou dobu tak, aby došlo k fúzi. Existuje řada jevů, které buď plazma ochlazují nebo vytvářejí nestability a následný únik plazmatu. Proto se vyvíjí značné úsilí na výzkum nových modifikací stávající koncepce tokamaku. Pro lepší názornost si můžete vyzkoušet aplet, který zachycuje pohyb plazmatu uvnitř tokamaků. Následující část článku popisuje jednu z možností, jak docílit lepších podmínek pro termojadernou fúzi uvnitř reaktoru.

Testovací zařízení CDX-U má tvar torusu, tak jako všechny tokamaky. Vnější průměr je 68 cm a vnitřní 44 cm. Na spodu je umístěn mělký kruhový (0,5 m) tác z kovu. Ten je naplněn tekutým lithiem. Povrch je 2000 cm².

Umístění lithia. Na schématu nalevo: 1 - tácek s lithiem (zelené), 2 - sonda.
Napravo: fotografie tácku s výřezem pro sondu.

Tác je vybaven odporovým ohřívačem který je zabudován do spodní části. Je vyroben ze dvou kusů, kde každá část je připojena zvlášť. Jeho úkolem je ohřát lithium na teplotu 400°C. Lithium se taví při 180°C. Tác je naplněn pevným lithiem o objemu 200 cm³. Plnění probíhá ve vakuu nebo při argonové náplni, aby se zamezilo oxidaci lithia.

Detail "tácku" s nalitým lithiem.
Na hladině se odráží vstřikovací sonda.

Vlastnosti lithiové stěny

Hlavním přínosem tohoto experimentu je fakt, že po přidání lithia se značně zlepšila účinnost ohřevu. Dalším velice povzbudivým výsledkem je, že lithiová stěna pohlcuje atomy uhlíku a kyslíku, které ochlazují plasma. Nezanedbatelný fakt je ochrana vnitřního pláště reaktoru. Tekutá "stěna" může být neustále doplňována a chránit tak materiál reaktoru. Těchto vlastností je dosaženo již při naplnění pevným lithiem, ale nejlepších vlastností zatím bylo dosaženo s lithiem v kapalném stavu. Na grafech je vynesena závislost nečistot OII na dosaženého proudu a hodnota dosaženého proudu na průměrné koncentraci plazmatu. Jednotlivé body znamenají: + prázdný tácek, × tekuté lithium, Δ pevné lithium.

Při vysokých hodnotách proudů (50÷80 kA), které odpovídají provozním proudům zařízení, evidentně dochází k podstatnému snížení O II nečistot v blízkosti tácku pro pevné lithium a ještě výrazněji pro kapalné lithium. Provozních proudů je dosaženo bez nejmenších problémů. Bez tácku s kapalným lithiem bylo provozního proudu dosaženo po mnoha hodinách experimentů, fitování zařízení a po mnoha desítkách výbojů. S lithiovou stěnou probíhá fúze bezproblémověji a účinněji. Napravo je závislost proudu dosaženého v tokamaku na koncentraci plazmatu.

Odkazy