Fúzi řídí písmeno „D“

„Sometimes you just need to switch things up to make them work better. Could be this is one of those instances.“ (Někdy stačí jen změnit věci, aby fungovaly lépe. Možná, že to je jeden z těchto případů. - Vědec Alessandro Marinoni komentuje, že otočení tradičního tvaru průřezu provazce plazmatu v tokamaku poskytuje větší stabilitu fúzních reakcí.) V Čechách se říká: čmelák je příliš těžký na plochu svých křídel, tak nemůže létat. Ale čmelák to neví, tak létá.

Snaha duplikovat energii Slunce pro využití na Zemi fascinuje výzkumníky jaderné fúze po celá desetiletí. Jedna cesta k nevyčerpatelné bezuhlíkové energii se zaměřila na ohřev a zachování plazmového paliva v tokamacích, které k udržení turbulentního plazmatu cirkulujícího ve vakuové komoře ve tvaru prstence (torus), tak aby se nedotýkalo její stěn, využívají magnetická pole. Fúzní výzkumníci došli při tvarování průřezů těchto tokamakových plazmat k trojúhelníkovému tvaru nebo tvaru písmene D, přičemž oblouk D míří od středu prstence ven, což umožňuje plazmatu a konstrukci komory vydržet intenzivní tlaky uvnitř zařízení lépe, než by to dokázal kruhový tvar.

Úspěch s obráceným D

Vědci vedeni Alessandrem Marinonim z MIT's Plasma Science and Fusion Center (PSFC) a Maxem Austinem z University of Texas v Austinu objevili na tokamaku DIII-D National Fusion Facility slibné důkazy o tom, že převrácení konvenčního tvaru průřezu plazmatu v komoře tokamaku může vytvořit stabilnější prostředí pro fúzi, a to i při vysokém tlaku plazmatu. Výsledky byly nedávno publikovány v časopisech Physical Review Letters a Physics of Plasmas.

Marinoni experimentoval s tvarem „reverzní D“, známým také jako „negativní triangularita“, již dříve během doktorandského studia na tokamaku TCV na Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ve Švýcarsku. Týmu na tokamaku TCV se podařilo prokázat, že negativní triangularita pomáhá snižovat turbulence v plazmatu, a tím zlepšuje udržení, což je klíčem ke stabilním fúzním reakcím. „Bohužel, v té době nebyl TCV vybaven tak, aby pracoval při vysokých tlacích plazmatu s teplotou iontů blízkou teplotě elektronů,“ poznamenává Marinoni, „takže jsme nemohli zkoumat režimy, které jsou relevantní pro fúzní plazma.“

Zájem o fúzi díky astrofyzice

Marinoni vyrůstal mimo Milán, a o fúzi se začal zajímat skrze svou vášeň pro astrofyzikální jevy, které byly zahrnuté do předškolní výchovy. Mladého Marinoniho nesmírně zaujala záhada černých děr. „Fascinovalo mě, že černé díry mohou zachytit světlo. V té době jsem byl jen malé dítě. Nemohl jsem tedy přijít na to, proč by světlo mělo být udrženo gravitační silou, která pocházela od černé díry, protože na Zemi nic takového nenajdete.“ Když Marinoni odmaturoval, připojil se k místnímu amatérskému astronomickému klubu, ale nakonec se rozhodl, že černé díry nebudou jeho povoláním, ale jen koníčkem. „Můj zájem spočíval v pokusech uvolňovat energii prostřednictvím jaderného štěpení nebo fúzí; to je důvod, proč jsem se zapsal do programu jaderného inženýrství na polytechnické univerzitě v Miláně.“ Po studiích v Itálii a Švýcarsku se Marinoni chopil příležitosti zapojit se do práce PSFC (Plasma Science Fusion Center) s tokamakem DIII-D v San Diegu pod vedením profesora fyziky Miklose Porkolaba. Jako postdoc používal zobrazovací diagnostiku s fázovým kontrastem vyvinutou v MIT k měření fluktuací hustoty plazmatu v tokamaku DIII-D. Později pokračoval v práci už jako vědecký pracovník PSFC.

Max Austin se inspiroval

Max Austin se po přečtení studie o negativní triangularitě na švýcarském tokamaku TCV  rozhodl prozkoumat možnost provedení podobných experimentů na tokamaku DIII-D. Lákalo ho potvrdit její stabilizační účinek na větším tokamaku. Při vymýšlení experimentálního plánu se Austin spojil s Marinonim a společně navrhli a provedli potřebné pokusy. „Výzkumný tým DIII-D pracoval v tu chvíli proti zažitým a 'nezpochybnitelným' jistotám používaným desítky let,“ říká Marinoni. „Obecně se věřilo, že plazma s negativní triangularitou by nemohlo udržet tlak, který by byl pro uvolnění energie dostatečně vysoký, a to díky extrapolaci makroskopické magnetohydrodynamické (MHD) nestability, která by plazma zničila. MHD je teorie, která řídí makrostabilitu elektricky vodivých kapalin, (podobné vlastnosti má plazma), a chtěli jsme ukázat, že za správných podmínek by plazma o průřezu reverzního tvaru písmene D mohlo udržet MHD stabilní plazma i s dostatečně vysokým tlakem, aby bylo vhodné pro fúzní elektrárnu. V některých ohledech je výsledek dokonce lepší než při standardním průřezu tvaru písmene D.“

D jako dogma

Plazmata s průřezem běžného tvaru písmene D jsou standardní konfigurací a mají své vlastní problémy. Jsou ovlivněny vysokou úrovní turbulence, což jim brání v dosahování vysokých tlaků nezbytných pro ekonomickou fúzi. Výzkumníci tento problém vyřešili vytvořením úzké vrstvy v blízkosti hranice plazmatu, kde je turbulence potlačena velkým střihovým tokem, což umožňuje vnitřním oblastem dosáhnout vyššího tlaku. V tomto procesu se však ve vnějších plazmatických vrstvách objeví strmý gradient tlaku, což činí plazma citlivé na nestabilitu nazývanou mód okrajového plazmatu (Edge Localized Modes, ELMs), který by v případě, že by byl dostatečně silný, vytlačil podstatnou část energie udržované plazmatem, což by poškodilo stěny komory tokamaku. DIII-D byl navržen pro řešení problémů s tvorbou plazmatu s průřezem ve tvaru písmene D. Marinoni pochválil řídicí skupinu DIII-D za to, že „tvrdě pracuje na tom, jak naopak uvést do života neobvyklý plazmatický tvar, reverzní D.“

Dogma je zbořeno

Úsilí se vyplatilo. Výzkumníkům se podařilo dokázat na tokamaku DIII-D, že i při vyšších tlacích je tvar reverzního D stejně účinný při snižování turbulence v plazmovém jádru, jako byl v prostředí s nízkým tlakem plazmatu na tokamaku TCV. Navzdory předpovědím prokázal tokamak DIII-D, že plazma v obrácené trojúhelníkové struktuře může udržet úroveň tlaku vhodnou pro fúzní elektrárnu na bázi tokamaku; navíc tak může učinit bez nutnosti vytvořit strmý gradient tlaku v blízkosti okraje, který by mohl vybudit škodlivé nestability ELMs.

Fúzaři všech tokamaků, spojte se!

Marinoni a kolegové plánují budoucí experimenty, aby ukázali další potenciál tohoto přístupu v ještě větší magnetické topologii, než je k dispozici na tokamaku DIII-D, která je relevantní pro fúzi a která je založena na konceptu tokamaků s divertorem. Marinoni tedy nyní zjišťuje zájem o experimentování s reverzní konfigurací u dalších mezinárodních tokamaků. „Kvůli problémům s hardwarem může vytvořit negativní trojúhelníkové plazma pouze několik tokamaků. Tokamaky jako DIII-D, které nejsou určeny k produkci plazmatu při negativní trojúhelníkové struktuře, vyžadují k vytvoření tohoto tvaru plazmatu značné úsilí. Je však důležité zapojit co nejširší fúzní komunitu celého světa, aby bylo možné o výhodách této konfigurace vytvořit průkaznou databázi.“

Tento výzkum je sponzorován Ministerstvem pro energetiku Spojených států amerických, resp. jeho Oddělením pro výzkum jaderné fúze, využívajícím své Národní fúzní zařízení (National Fusion Facility) DIII-D.

Volně podle Paula Rivenberga, Plasma Science and Fusion Center