Rázové vlny ve výzkumu termojaderné fúze

„Rázová vlna je fyzikální jev, při němž se prostředím šíří vzruch (energie) v podobě skokové změny fyzikálních veličin popisujících stav prostředí. Nosičem rázové vlny může být látka (pevná, kapalná, plynná nebo ve stavu plazmatu), nebo pole (například elektromagnetické).“ Tolik praví definice Wikipedie.

Letadlo a litotryptor 

Rázová vlna doprovázející překročení rychlosti zvuku letadlem je většině čtenářů známá, i když se s ní třeba přímo nesetkali. V poslední době se tlakovou rázovou vlnou vybuzenou elektrickým výbojem ve vodě léčí a taková zkušenost může naopak mít pro jedince příjemnější následky. Rozhraní mezi ledvinovým kamenem a měkkou tkání je ideálním místem, kde se vydělí energie v druhém ohnisku eliptického rezonátoru, v jehož prvním ohnisku se generuje rázová vlna ve vodě. Vyděluje se tolikrát, až se kámen rozpadne… (Podrobněji jsme o tomto užití psali zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/medicina-a-prirodoveda/2547-pouziti-elektrickych-vyboju-v-medicine.) 

Rázová vlna a termojaderná fúze 

Výzkum řízené termojaderné fúze se nese dvěma směry vycházejícími z Lawsonova kritéria. To zhruba řečeno vyžaduje buď dlouhou dobu života termojaderného média – plazmatu - při jeho malé hustotě nebo naopak krátkou dobu života plazmatu, vyváženou jeho velkou hustotou. Inerciální udržení, jak se poslední přístup nazývá, využívá běžně ostřelování terčíku z termojaderného paliva (zatím směs deuteria a tritia) laserovým paprskem. Pokud možno homogenní ozáření kuličky – terčíku – generuje na povrchu reaktivní tlakový impulz, který se šíří jako rázová vlna do středu terčíku– stejně jako v litotryptoru na ledvinovém kameni. Vlastně ne tak úplně. V litotryptoru se rázová vlna fokusuje na povrchu terčíku, zatímco v laserové fúzi se fokusuje v centru terčíku. Pokud hustota a teplota dosáhnou termojaderných parametrů, jádra izotopů vodíku se začnou slučovat a zapálí se termojaderná fúze.

Jistě, proces zdaleka není tak jednoduchý. Velkou překážkou byl rozvoj nestabilit iniciovaný nedostatečně homogenním ozářením povrchu terčíku či nerovnostmi terčíku. Při tzv. nepřímém ozáření se sice odstranila nehomogenita, ale za cenu ztráty energie při přeměně světelného záření na rentgenovské. Inerciální udržení se nicméně studuje velmi intenzivně – viz největší laserový systém NIF v Lawrence Livermore National Laboratory v USA. Má 192 svazků a 1,5 MW výkonu. Ve Francii se staví Laser Mégajoule. Bude mít 240 svazků a stejný výkon jako NIF. Mezitím se laserová fúze vrací k přímému ozáření. Avšak mnohem úspěšnější je druhá varianta udržení plazmatu – udržení magnetické,kupříkladu v tokamaku JET. A za tři roky možná v tokamaku ITER. 

General Fusion 

Kanadská společnost General Fusion používá rovněž kulové rázové vlny iniciované pneumaticky, zde ve směsi olova a lithia, k doohřátí výsledku srážky dvou plazmoidů mířících proti sobě. Ač se v tomto případě jedná o časy mnohem delší než v případě laserové fúze, překážky jsou podobné, zejména nehomogenita expozice terčíku. General Fusion nedávno podepsala smlouvu o pronájmu pozemku v anglickém Culhamu, kde chce postavit prototyp fúzní elektrárny Fusion Demonstration Plant. Finančně přispěje vláda Spojeného království. Myšlenka kanadských badatelů není původní. V šedesátých letech ji opustila Naval Research Laboratory jako obtížně uskutečnitelnou. Zařízení se tehdy jmenovalo LINUS. Uplynulo půl století, technologie pokročily, třeba se to nyní zdaří. (O záměru Fusion Demonstration Plant jsme psali zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2729-soukroma-general-fusion-ve-verejnem-culham-centre-for-fusion-energy.)

First Light Fusion 

First Light Fusion je po General Fusion druhá společnost podnikající za soukromé peníze s cílem zapálit fúzní reakci pomocí rázové vlny. Nick Hawker studoval život nejhlasitějšího obyvatele oceánů – pistolové krevety. Tyhle krevetky prý, je-li jich pohromadě hodně, dokáží zahnat i velrybu. Nejen velrybu, ale za druhé světové války prý dokázaly zmást německé lovce britských ponorek, které se ukryly do hejna prskajících pistolových krevet. (O krevetách inspirativních pro fúzi jsme psali zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2251-pistolove-krevetky-inspiruji-termojadernou-fuzi.)

Kreveta, tvor délky několik centimetrů, sekne drápem a vyrobí bublinu. Ta vzápětí imploduje a generuje zmíněnou rázovou vlnu. First Light „opsaly“ od krevet proces imploze a použili ji ve svém schématu. Pevnolátková střela velikosti mince je elektromagneticky urychlena na terčík z deuteria a tritia. Krevetkový mechanismus prý dokáže náraz přeměnit v rázovou vlnu iniciující fúzi. Schéma nechce Hawker a spol. patentovat, a tím ho prozradit. V současné době pracují za dveřmi zamčenými na devět zámků na dalším zmnohonásobení urychlujícího mechanismu a dosavadní rychlost 15 km/s přiblížit dvojnásobku. Pak ten nápad hodlají zpeněžit. 

Ronald Richter 

První, kdo se začal výzkumem termojaderné fúze experimentálně zabývat, byl Ronald Richter ve Falknově nad Ohří (dnešní Sokolov) v roce 1936. Použil k tomu - co jiného - než rázovou vlnu, tentokrát v elektrickém oblouku. Při atmosférickém tlaku příliš šancí neměl. S přestávkami na své myšlence pracoval v Berlíně po celou světovou válku a zejména pak v první fúzní laboratoři na světě, kterou postavil na argentinském ostrově Huemul nořícím se z malebného jezera Nahuel Huapi pod Patagonskými Andami. Breakeven („beze ztrát“) byla tisková konference argentinského prezidenta Juana Peróna, který v dubnu 1951 oznámil světu dosažení termojaderné fúze Ronaldem Richterem. Richter sice fúzi nezapálil, jako mnoho jeho následovníků, ale zažehl fúzní myšlenku v SSSR a v USA,jinými slovy na celém světě. (O Ronaldu Richterovi jsme psali zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1771-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-ctvrta.) 

To jsou dosud největší úspěchy rázové vlny na poli řízené termojaderné fúze.