Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 8 – vyšlo 21. února, ročník 3 (2005) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

8/2005

MIT a Kolumbijská univerzita odstartovaly nové experimenty s termojadernou fúzí

David Břeň

Vědci a studenti z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. a Kolumbijské univerzity realizovali nový experiment, ve kterém zachytili ionizovaný plyn za vysoké teploty – plazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. – za pomoci silných magnetických polí dipólového charakteru. Pole bylo generováno půl tuny těžkým supravodivým prstencem uvnitř obrovské nádoby připomínající kosmickou loď. Experiment, první svého druhu, bude testovat, zda způsob udržení vysokoteplotního plazmatu pomocí polí obdobných těm, která nacházíme v okolí planet, by mohl vést k novému zdroji energie.

Myšlenku použít pro udržení fúzního plazmatu „přírodních“ polí vyslovil poprvé Akira Hasegawa při přiblížení Voyageru 2 k UranuUran – jedna ze čtyř obřích planet, sedmá planeta sluneční soustavy má charakteristický modrozelený nádech. Průměrná hvězdná velikost 5,5^m je na hranici viditelnosti lidským okem. Planeta má soustavu prstenců a kolem krouží rozsáhlý systém měsíců podobně jako u ostatních obřích planet. Kromě vodíku a helia obsahuje atmosféra také metan, způsobující namodralé zbarvení. Ve středu Uranu je jádro z hornin a železa. Rotační osa Uranu je vzhledem k rovině oběhu stočená na bok (98°), patrně díky střetu s jinou velkou planetou při vzniku sluneční soustavy. Rotace je diferenciální s periodou 16÷17 hodin. Rychlost větrů v atmosféře dosahuje až 600 km/h. Magnetická osa svírá s osou rotace úhel 59° a  je značně excentrická (prochází 8 000 km od středu planety). Magnetosféra je výrazná, intenzita pole je srovnatelná s intenzitou pole Země, ohon je zkroucen do tvaru vývrtky díky vlastní rotaci planety.. Hasegawa si všiml, že plazma držené magnetosférami planet podléhá velkorozměrovým fluktuacím, které jsou doprovázeny adiabatickým ohřevem a difúzí směrem k planetě. Fluktuace v tokamacíchTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025. mají přesně opačné vlastnosti, vedou k rozpadu plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. a energetickým ztrátám. Hasegawa navrhl, že pokud by laboratorní plazma mělo podobný hustotní profil jako plazma v magnetosférách planet a bylo drženo dipólovým polem, potom nedojde k nechtěnému transportu částic a energie směrem ven z oblastí udržení.

Termojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium. Tokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025. LDX – Levitated Dipole eXperiment, experiment realizovaný v MIT ve spolupráci s Kolumbijskou univerzitou. Srdcem experimentu je levitující supravodivý prstenec, který je zdrojem přibližně dipólového magnetického pole. V tomto poli je drženo plazma určené k termojaderné fúzi (D+D reakce). Zařízení bylo uvedeno do provozu 13. 8. 2004. Protékající proud je více jak 750 000 A a doba udržení plazmatu 5÷10 s. Nukleonové číslo A – udává počet nukleonů (neutronů a protonů) v atomovém jádře prvku. Protonové číslo Z – udává počet protonů v atomovém jádře prvku. Supravodivost – supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil, že při ochlazení rtuti pod teplotu 4,2 K dochází k prudkému poklesu elektrického odporu až na milióntinu původní hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku, ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč se elektrony v ochlazeném materiálu pohybují bez odporu.

Závislost vazebné energie na nukleonovém čísleNukleonové číslo A – udává počet nukleonů (neutronů a protonů) v atomovém jádře prvku.. Nejstabilnější je atom železa.
Jádra těžší, než je železo se mohou štěpit, jádra lehčí se mohou slučovat.

Experiment LDX

První výsledky z experimentu s levitujícím dipólem LDXLDX – Levitated Dipole eXperiment, experiment realizovaný v MIT ve spolupráci s Kolumbijskou univerzitou. Srdcem experimentu je levitující supravodivý prstenec, který je zdrojem přibližně dipólového magnetického pole. V tomto poli je drženo plazma určené k termojaderné fúzi (D+D reakce). Zařízení bylo uvedeno do provozu 13. 8. 2004. Protékající proud je více jak 750 000 A a doba udržení plazmatu 5÷10 s. byly předvedeny na schůzce Americké fyzikální společnosti v týdnu po 15. listopadu roku 2004. Vědci a studenti popsali více než 100 plazmových reakcí vytvořených uvnitř nového zařízení, které udrželo plazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. po dobu pět až deset sekund! PlazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.  bylo fotografováno ve viditelném oboru. Výsledkem jsou vynikající snímky, ze kterých je možné usuzovat na dynamiku plazmatu drženého silným magnetickým polem. Současně byla prováděna rentgenová spektroskopie plazmatu.

Slavnostní zahájení provozu LDXLDX – Levitated Dipole eXperiment, experiment realizovaný v MIT ve spolupráci s Kolumbijskou univerzitou. Srdcem experimentu je levitující supravodivý prstenec, který je zdrojem přibližně dipólového magnetického pole. V tomto poli je drženo plazma určené k termojaderné fúzi (D+D reakce). Zařízení bylo uvedeno do provozu 13. 8. 2004. Protékající proud je více jak 750 000 A a doba udržení plazmatu 5÷10 s., které je nejnovějším úsilím Spojených států k dosažení jaderné syntézy, se konalo  koncem října roku 2004. Energie termojaderné fúze je velmi výhodná, protože její palivo – vodík má prakticky neomezené zásoby a vyrobená energie by byla ekologicky čistá a nepřispívala by ke kontaminaci planety tak, jako hoření fosilních paliv.

Vědci budou pomocí experimentu LDXLDX – Levitated Dipole eXperiment, experiment realizovaný v MIT ve spolupráci s Kolumbijskou univerzitou. Srdcem experimentu je levitující supravodivý prstenec, který je zdrojem přibližně dipólového magnetického pole. V tomto poli je drženo plazma určené k termojaderné fúzi (D+D reakce). Zařízení bylo uvedeno do provozu 13. 8. 2004. Protékající proud je více jak 750 000 A a doba udržení plazmatu 5÷10 s. provádět základní studium udržení plazmatu při vysokých teplotách a vyšetřovat, zda plazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.  jednou může být použito jako zdroj energie. Termojaderná fúzeTermojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium.  je přirozeným zdrojem energie SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.  a hvězd. Při vysokých teplotách a tlacích se lehké prvky jako vodík spojují a tvoří těžší prvky, jako je helium, v procesu, při kterém se uvolní velké množství energie.

Schéma termojaderné fúze probíhající v nitru hvězd (tzv. proton–protonový řetězec),
 při které sloučením čtyř jader vodíku vzniká jádro helia a uvolní se množství energie.
Zdroj: Wadsworth Publishing Company/ITP, 1997.

Velmi silné magnety, takové, jakým je prstenec v LDXLDX – Levitated Dipole eXperiment, experiment realizovaný v MIT ve spolupráci s Kolumbijskou univerzitou. Srdcem experimentu je levitující supravodivý prstenec, který je zdrojem přibližně dipólového magnetického pole. V tomto poli je drženo plazma určené k termojaderné fúzi (D+D reakce). Zařízení bylo uvedeno do provozu 13. 8. 2004. Protékající proud je více jak 750 000 A a doba udržení plazmatu 5÷10 s., vytvářejí magnetické pole potřebné k iniciaci, udržení a kontrole plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství., ve kterém dojde k fúzi. Tvar magnetických silokřivek určuje vlastnosti zachyceného plazmatu. Po celém světě se realizuje řada jiných výzkumných experimentů jaderné fúzeTermojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium. s různou konfigurací magnetického pole. Na obou univerzitách podílejících se na vývoji zařízení LDXLDX – Levitated Dipole eXperiment, experiment realizovaný v MIT ve spolupráci s Kolumbijskou univerzitou. Srdcem experimentu je levitující supravodivý prstenec, který je zdrojem přibližně dipólového magnetického pole. V tomto poli je drženo plazma určené k termojaderné fúzi (D+D reakce). Zařízení bylo uvedeno do provozu 13. 8. 2004. Protékající proud je více jak 750 000 A a doba udržení plazmatu 5÷10 s. probíhají i experimenty s tokamakyTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025.. Na MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO.  jde o experiment Alcator C-Mod a na Kolumbijské univerzitě probíhá experiment HBT – EP.

Experiment LDXLDX – Levitated Dipole eXperiment, experiment realizovaný v MIT ve spolupráci s Kolumbijskou univerzitou. Srdcem experimentu je levitující supravodivý prstenec, který je zdrojem přibližně dipólového magnetického pole. V tomto poli je drženo plazma určené k termojaderné fúzi (D+D reakce). Zařízení bylo uvedeno do provozu 13. 8. 2004. Protékající proud je více jak 750 000 A a doba udržení plazmatu 5÷10 s. se snaží udržet fúzi způsobem, který čerpá inspiraci z přírody. Primární pole sloužící k udržení fúzního plazmatu je generované silným supravodivým prstencem velikosti pneumatiky nákladního automobilu s hmotností více než půl tuny. Prstenec levituje uvnitř velké vakuové komory. Druhý supravodivý elektromagnet umístěný nad vakuovou komorou poskytuje energii nezbytnou ke kompenzaci tíže vznášejícího se prstence. Výsledné silové pole se podobá magnetickým polím planet, jako je ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. nebo JupiterJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole.. Z pozorování družic je známo, že tato pole udrží plazma s velmi vysokou teplotou.

Výzkumný tým experimentu LDXLDX – Levitated Dipole eXperiment, experiment realizovaný v MIT ve spolupráci s Kolumbijskou univerzitou. Srdcem experimentu je levitující supravodivý prstenec, který je zdrojem přibližně dipólového magnetického pole. V tomto poli je drženo plazma určené k termojaderné fúzi (D+D reakce). Zařízení bylo uvedeno do provozu 13. 8. 2004. Protékající proud je více jak 750 000 A a doba udržení plazmatu 5÷10 s. je vedený Jayem Kesnerem z Centra výzkumu plazmatu a jaderné fúze na MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. a Michaelem Mauelem, profesorem aplikované fyziky na Kolumbijské univerzitě. V tuto chvíli si asi nikdo netroufne odhadnout, zda udržení plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. v dipólovém poli je plnohodnotnou alternativou ke stávajícím tokamakůmTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025., pinčům a dalším fúzním zařízením. Není vyloučeno, že právě tímto směrem se v budoucnosti může ubírat jaderná energetika.

Snímek experimentálního zařízení LDX. Zdroj: MIT, 2004.

Odkazy