V Padově zkoušejí největší injektor svazku neutrálních částic na světě

Tokamak ITER bude využívat tři typy ohřevu plazmatu. Od ohmického, přes vysokofrekvenční po NBI (Neutral Beam Injection). Zatímco vysokofrekvenční ohřev plazmatu lze vzdáleně přirovnat k ohřevu v mikrovlnné troubě, ohřev pomocí NBI připomíná ohřev kávy horkou parou.

Základním typem ohřevu plazmatu je ohmický ohřev, kdy plazmatem, kde probíhají termojaderné reakce, teče elektrický proud vybuzený elektromagnetickou indukcí. Tokamak je totiž transformátor s primárním i sekundárním vinutím. Sekundární „vinutí“ tvoří jediný závit – provazec plazmatu. Čím teplejší je plazma, tím menší je jeho ohmický odpor a menší je i účinnost tohoto typu ohřevu.

Česká republika preferuje „západní“ a „východní“ typ ohřevu

Z celé řady způsobů jak plazma „doohřát“ na termojadernou teplotu byly vybrány dva. Na západě od československých hranic dávali vědci přednost NBI (Neutral Beam Injection) – tedy vstřiku vysokoenergetických neutrálních částic. Na východě se vyvíjel dodatečný ohřev pomocí vysokofrekvenčních elektromagnetických vln. Československo od roku 1977 provozovalo malý tokamak TM1-MH (Tokamak malyj – Magnetic Heating). Rusko-anglický název jako by vyjadřoval budoucí nezbytnou spolupráci dvou politických uskupení pro dosažení nejambicióznějšího cíle lidské společnosti – zapálit sluneční reakci na Zemi. Československo i jeho pokračovatel ve fúzním výzkumu Česká republika symbolizuje dnes už běžnou úzkou spolupráci bývalého západu a bývalého východu i jinak – postupným použitím obou typů dodatečného ohřevu – „západního“ a „východního“. Na bývalém sovětském tokamaku TM1-MH se v Praze studoval ohřev mikrovlnami a na bývalém anglickém tokamaku COMPASS jsou v provozu dva NBI.

Postup ohřevu plazmatu neutrálními částicemi

Každý NBI se skládá ze zdroje iontů – u tokamaku ITER to budou deuteriové ionty záporné, neboť při vysokých energiích iontů, které ITER potřebuje, mají záporné ionty větší pravděpodobnost neutralizace, než běžně používané (tokamak COMPASS) ionty kladné. Následuje elektrostatický urychlovač, pak neutralizátor, separátor zbylých iontů a kalorimetr.

Zdroj iontů vyrobí z elektricky neutrálního deuteria záporné deuteriové ionty. Ionty jsou elektricky nabité a tudíž je lze urychlit v elektrickém poli – v případě ITER na 1 MV (milión voltů). V neutralizátoru se ionty mění na neutrální plyn a v separátoru se oddělí ionty, které nestačily ztratit svůj náboj. Dále použitelné ionty sice ztratí elektrický náboj, čímž se stanou neutrálními částicemi, neztratí ale energii, kterou získaly v urychlovači. Vysokoenergetické částice se pak vstřikují do plazmatu tokamaku ITER a srážkami předávají svoji energii částicím plazmatu – plazma ohřívají. Posluchačů při přednáškách se ptám: „Proč ta komedie – výroba iontů, urychlení iontů, neutralizace iontů, vstřik iontů do plazmatu? Ionty vyrobit musíme, protože neutrální částice v elektrickém poli urychlit nelze, ale proč je znovu pracně neutralizovat, proč nevstřiknout urychlené ionty do plazmatu přímo, stejně se v plazmatu opět ionizují!“ Odpověď je následující: Tokamak k izolaci horkého plazmatu od stěn vakuové nádoby používá magnetické pole. Pole brání nabitým částicím plazmatu uniknout na stěny komory, ale současně brání vniknout nabitým částicím zevně tokamaku do plazmatu. Proto musíme energetické nabité částice zbavit elektrického náboje, abychom je – neutralizované – prostřelili izolujícím magnetickým polem dovnitř do plazmatu.

EU, Japonsko a Indie staví zkušebnu NBI nazvanou PRIMA

Výroba/zkoušení NBI je jedním z mnoha příkladů úspěšné mezinárodní spolupráce při stavbě tokamaku ITER, spolupráce v takové míře ve světě dosud nevídané. NBI pro tokamak ITER bude největší zdroj záporných iontů, jaký byl kdy vyroben. Spolupracujícími partnery jsou v případě PRIMA (Padua Research on ITER Megavolt Accelerator, výzkum megavoltového urychlovače pro ITER v Padově) zkušebny NBI: Evropa, Japonsko a Indie. PRIMA zahrnuje dva nezávislé testovací stolce – SPIDER (Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from an RF plasma, zdroj pro výrobu deuteriových iontů extrahovaných z vysokofrekvenčního plazmatu) bude zkoušet zdroj záporných iontů ve skutečné velikosti s urychlovacím napětím 100 kV a MITICA (Megavolt ITER Injector and Concept Advancement, megavoltová tryska injektoru – ohřevového svazku neutrálních částic – tokamaku ITER ) bude testovat injektor fungující na napětí 1 MV a s výkonem 16 MW. SPIDER a MITICA tak budou testovat počáteční a koncový uzel NBI.

Poděkování pana generálního

Italie zařízení PRIMA, které je hostem Consorzia RFX (italské laboratoře fyziky plazmatu a řízené termojaderné fúze) staví zdarma. Bernard Bigot, generální ředitel ITER Organization, při přejímce tří konvojů naložených materiálem pro dvě testovací stolice MITICA a SPIDER, poděkoval italské vládě za poskytnutí místa na stavbu budov, fúzní laboratoři Consorzio RFX za koordinaci a integraci mnoha týmů, domácím agenturám EU, Japonska a Indie za výrobu komponent. Seznam vědecko-technických laboratoří, které průběžně konzultovaly návrhy a jejich realizaci, je úctyhodný: French Alternative Energies, Atomic Energy Commisio - CEA, Max Planck Institute of Plasma Physics – IPP, Karlsruhe Institute of Technology – KIT, Culham Centre for Fusion Energy – CCEF.

Nyní ještě postavit tokamak a zapálit plazma. Dohřát plazma na termojadernou teplotu už „bude hračka“.

Ilustrace použity se svolením ITER Organization.