Elektrony na útěku

Slyšeli jste o runaway elektronech (REs)? Neslyšeli? Ani o ubíhajících elektronech? Není divu, v běžném životě se s nimi nesetkáte. Možná v horních vrstvách atmosféry v bouřkově aktivních oblastech, kde lze pozorovat krátké záblesky gama záření TGF (Terestrial Gamma-ray Flashes); ty prý pocházejí právě od ubíhajících elektronů, které mají relativistické rychlosti. Vznikají, když dostatečně poklesne počet srážek elektronů s atmosférou díky rostoucí rychlosti částic. Elektrony nebrzděné srážkami dosahují takřka nadpřirozených rychlostí. Stačí k tomu malé, ale stálé elektrické pole.

Betatron Maxe Steenbecka

Zajímavou roli sehrály ubíhající elektrony v roce 1943 v berlínské firmě Siemens Schucker. Max Steenbeck si řekl, že se pokusí pomocí runaway elektronů vyřešit problém záchytu elektronů v kruhovém urychlovači – betatronu. Standardně se elektrony do urychlovače vstřikovaly tryskou a zdaleka ne všechny se dostaly na rovnovážnou kruhovou dráhu, kde mohly být indukčním způsobem urychleny. Značná část jich skončila na stěnách urychlovací komory. Steenbeck navrhl betatron bez trysky, zato s plynem. Za určitých podmínek se v ionizovaném plynu mohly objevit právě ubíhající elektrony a nahradit tak elektronový svazek vyrobený tryskou. Steenbeckovy úvahy přerušila válka. Ubíhající elektrony nicméně sehrály – jak ve Velké Británii, tak v Sovětském svazu – významnou roli v začátcích výzkumu řízené termojaderné reakce.

Devět laboratoří a jeden úkol

Ubíhající elektrony termojadernou fúzi neopustily a dnes se v ní objevily v nezáviděníhodné roli škůdce. Svědčí jim totiž tokamakové plazma a pokud se v něm objeví, například při disrupci (kolaps výbojového proudu), pak svou značnou energií můžou poškodit stěny vakuové komory, pokud na ni narazí. Intenzita proudu REs po disrupci může dosahovat až 70 % původního elektrického proudu v plazmatu. Není divu, že se týmy vědců pokoušejí runaway elektrony ovládnout – nejlépe tím, že předejdou jejich vzniku. Pokud už existuji, pak minimalizací jejich působení.

Problém je aktuální i dnes, kdy se staví tokamak ITER, jehož rozměry neumožňují kvalitní odhady působení runaway elektronů. V USA se spojilo devět univerzit a národních laboratoří, aby společnými silami vyřešily následující úkoly v rámci „Simulation Center for Runaway Electron Avoidance and Mitigation“. Patří k nim Oak Ridge, Lawrence Berkeley National Laboratory a národní laboratoře Los Alamos, university z Texasu, Kalifornie – San Diega, Columbia University a General Atomics v San Diegu. Na dva roky získaly od Úřadu pro vědu Ministerstva pro energii (DOE's Office of Science) podporu ve výši 3,9 millionů USD.

Při studiu runaway elektronů je už nutné započíst růst hmotnosti pohybujícího se tělesa při relativistických rychlostech podle Einsteinovy speciální teorie relativity.

Úkoly, které je třeba vyřešit

1. Určení fyzikálních podstaty generace a vývoje ubíhajících elektronů.
2. Studium způsobů, jak zamezit produkci ubíhajících elektronů.
3. Studium způsobů minimalizace škody způsobené ubíhajícími elektrony.

„Obrovské rozměry tokamaku ITER nesnesou srovnání s působením runaway elektronů na dosavadních zařízeních. Musíme se spolehnout na vypovídající sílu předpovědi teorie a simulace, které by měly platit na současných experimentech a extrapolovat je na podmínky gigantu ITER,“ říká Amitava Bhattacharjee, vedoucí Teoretického oddělení Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Klíčovým nástrojem budou počítače podporované programem Advanced Scientific Computing Research (ASCR) amerického Ministerstva pro energii. Program simuluje vzájemné působení elektronů letících relativistickými rychlostmi s okolním plazmatem.

Superpočítačoví simulanti

Nastoupí superpočítač Titan – Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) v Oak Ridge National Laboratory – a superpočítače National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) v Lawrence Berkeley National Laboratory. Správnost jejich výsledků se ověří porovnáním výsledků všech superpočítačů. OLCF a NERSC patří Úřadu pro použití vědeckých zařízení (Office of Science User Facilities) amerického Ministerstva pro energii.

Jde především o to, aby se teorie co nejméně lišila od experimentu a zvýšila se tím důvěryhodnost předpovědí účinků ubíhajících elektronů v tokamaku ITER.

Disrupce

Runaway elektrony se mohou objevit jako sekundární jev při potlačování zhoubných disrupcí (kolapsu výboje). Disrupcím se lze vyhnout například ochlazením plazmatu vstříknutím nečistot ve formě plynu nebo peletů. Tím se mohou urychlit elektrony. Proto je třeba při tomto způsobu boje s disrupcemi citlivě zvolit tu nejvhodnější směs vstřikovaných nečistot a jejich množství.

Jaké se dnes studují experimentální metody potlačení REs, pokud se objeví? Vstříknutí plynu (helium), likvidace pomocí vybraného prvku stěny, reverzní napěťový pulz, stochastické magnetické pole a kombinace jmenovaných metod.

Spoluřešitelé LANL a PPPL

Spoluřešiteli programu týkajícího se ubíhajících elektronů jsou Los Alamos National Laboratory a Princeton Plasma Physic Laboratory (PPPL) s Universitou v Princetonu. PPPL patří zakladatelům fúzního bádání ve Spojených státech, kde začínal v padesátých letech sám Lyman Spitzer, autor stelarátoru. Dnes je rozsah činnosti PPPL poměrně široký: od přenosných antiteroristických detektorů jaderných materiálů po univerzálně použitelné kódy předpovídající výstupy fúzních experimentů.

Zbývá připomenout, že „disrupcemi a ubíhajícími elektrony“ se zabývají i výzkumníci pražského tokamaku Compass v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.