Základní typy termonukleárních reakcí /2/: Vyšší energetický výtěžek poskytují reakce mezi deuteriem a tritiem. Termonukleární reakcí deuteria a tritia vzniká buď /ad 3/ jádro hélia, uvolní se jeden neutron n a 17,6 megaelektronvoltů energie, nebo se deuterium spojí i s lehkým izotopem hélia He 3 /případ ad 4/, kdy vznikne jádro hélia a uvolní se proton p a 18,3 MeV. Uvedený třetí typ reakce může poskytnout 94 megawatthodin na gram směsi, a čtvrtý typ dokonce 97,5 megawatthodin na gram směsi paliva.
Ohřev překonává odpudivé elektrické síly jader: Spojení jader brání mohutné elektrické síly. K jejich překonání je třeba dát jádrům dostatečnou kinetickou energii. Při termonukleárních reakcích uvádíme jádra /latinsky nucleus/ do prudkých pohybů teplem /řecky termos/. Podívejme se, co se děje s plynným deuteriem v uzavřeném prostoru při zahřívání postupně až na nejvyšší teploty: Za normální teploty /A/ je prostor vyplněn molekulami deuteria. Za vyšší teploty /B/ dochází k disociaci molekul - rozpadávají se na atomy deuteria. Při teplotě několika tisíc stupňů /C/ dochází k ionizaci plynu: častější srážky atomů vedou k uvolňování elektronů. V tomto ionizovaném stavu má plyn už jiné fyzikální vlastnosti a nazýváme jej plazmou nebo též čtvrtým skupenstvím hmoty. Při teplotě milionů stupňů /D/ jsou srážky částic plazmy tak prudké, že dochází k překonání odpudivých sil holých jader a k jejich termonukleárnímu spojení.
Krátkodobý impulsní ohřev: Patří mezi nejstarší série pokusů o ohřev plazmy na vysoké teploty. Nárazový proud způsobí mezi dvěma elektrodami v protějších čelech izolační nádobky silný elektrický výboj, jehož proudová vlákna procházejí přímo plazmou. Magnetické síly tohoto proudu odtrhnou plazmu od stěny izolační nádobky a zabezpečují její tepelnou izolaci. Současně magnetické síly stlačují plazmový sloupec do tenké „šnůry“ a touto kompresí se zvyšuje teplota plazmy. Jev, při kterém nárazový elektrický výboj vyvolá stlačení a ohřev plazmy, nazývá se seškrcení /též strikce nebo pinč-efekt/.
Výbojová trubice a její příslušenství: K prstencové elektrodě na čele trubice se pásovými sběrnicemi přivádí nárazový proud z baterie mohutných kondenzátorů, rozestavěných okolo přístroje. Kondenzátory tohoto zařízení instalovaného v laboratoři Plasma Institutu v Mnichově mají kapacitu 160 tisíc joulů, a do výboje v trubici plněné deuteriem propustí až 1 milión ampérů.
Nestabilita plazmy: Při praktických pokusech, s nimiž se poprvé začínalo asi roku 1952 v SSSR, o málo později v USA a dnes i v Británii, Francii, NSR, Švédsku a Japonsku, se jako omezující činitel ve všech případech projevovala nestabilita sloupce plazmy. Projevuje se buď místním zúžením sloupce /obrázek dole/, nebo jeho vybočením /obrázek nahoře/. Tím se plazma přiblíží až ke stěně izolační nádoby, znečistí se, a dojde k tak vysoké ztrátě tepla, až výboj zhasne.
Mžiková fotografie nestability plazmy: Snímek ukazuje deformaci sloupce plazmy v přímé vývojové komoře v intervalu od nuly do 100 mikrosekund. Teploty dosahované tímto způsobem vlivem nestability plazmového sloupce prakticky nepřekročily hodnotu 1 milionu stupňů!
Magnetické pole „vyztuží“ sloupec plazmy: Proti nestabilitě vědci bojují zavedením kompenzačních magnetických polí. Na obrázku ukazují silokřivky působení axiálního magnetického pole, naindukovaného zvenčí do sloupce plazmy. Zhuštění silokřivek v místě deformace způsobí, že se prohnutý sloupec narovnává.
Vyztužený sloupec plazmy v zařízení KOLUMBUS: Šedesát centimetrů dlouhá skleněná trubice amerického zařízení KOLUMBUS na Princetonské universitě ohřívá plazmovou „šnůrku“ /svítící sloupec na obrázku/ až na 6 milionů stupňů. Sloupec je vyztužen axiálním magnetickým polem vytvářeným spirálovitě vinutou cívkou.
Impulsní výboj v prstencové trubici: Aby se předešlo znečišťování plazmy stykem s elektrodami, začalo se používat prstencových trubic, do nichž se nárazový proud indukuje způsobem, který připomíná činnost jednofázového transformátoru. Na primární straně jeho cívky se vybíjí baterie kondenzátorů, ve vyčerpané trubici naplněné plynem se indukuje sekundární proud. Prstencově zatočený sloupec plazmy je stlačován do „šnůrky“ samočinně probíhající strikcí /detail vpravo/.
Pokusná prstencová trubice PERHAPSATRON: Obrázek ukazuje první americkou pokusnou trubici, v níž dosahovala plazmová šnůrka teploty až 5 milionů stupňů. Jak dosvědčuje název přístroje /odvozen od „perhaps“ - „snad“/, šlo o ověřovací zařízení, které mělo potvrdit a ověřit metodu zkoumání impulsních výbojů.
ZETA: Britská ZETA /název utvořen z počátečních písmen „Zero Energy Thermonuclear Assembly“, tj. termonukleární zařízení s nulovou energií/, tvořila základ britských výzkumů termonukleárních reakcí a po delší dobu byla nejvýkonnějším zařízením tohoto druhu na světě vůbec. Prstencová komora v zařízení ZETA má světlost téměř 1 m a střední průměr prstence je 3 m. Dvojité jádro transformátoru, kterým trubice prochází, váží přes 200 tun. ZETA byla spuštěna 2. srpna 1957 a po mnoha rekonstrukcích je stále v činnosti.
Elektrické zapojení ZETA: Baterie kondenzátorů /1/ se nabíjí stejnosměrným proudem z usměrňovače na napětí 25 tisíc voltů. Během 10 sekund „načerpají“ kondenzátory energii půl miliónu joulů. Speciální spínač /2/ vybije kondenzátory na primární vinutí transformátoru /3/, jehož jádro tvoří dva prstence.
Nahlížíme do trubice zařízení ZETA: Vlastní prstencová trubice zařízení ZETA je složena z odizolovaných sektorů, aby se zabránilo vlivu tzv. vířivých proudů, které doprovázejí elektromagnetickou indukci. Výbojová trubice je vložena do vnějšího pláště. Na povrchu pláště jsou přídavné cívky, které v sloupci plazmy vytvářejí stabilizující axiální magnetické pole. Při plném využití kondenzátorů vyvíjí ZETA výbojový proud až 200 tisíc ampérů. Zúžený sloupec plazmy se podaří udržet po dobu několika tisícin vteřiny.
Zařízení pro vyčerpávající výbojové trubice: Na tomto snímku americké výbojové trubice je vpravo umístěna difúzní vývěva pro ultravysoké vakuum. Tak se dosahuje potřebné nízké hustoty plazmy. Kdyby se totiž trubice plnila plynem normálního tlaku, vzrostl by tento tlak po ohřevu na termonukleární teploty na neudržitelnou výši několika miliónů atmosfér.
Jedno z prvních sovětských zařízení pro impulsní výboje: S prstencovou trubicí začalo pracovat v roce 1953-54 v Ústavu jaderné energie Akademie věd SSSR. Na levé straně prstencové trubice s cívkami pro stabilizaci sloupce plazmy je zřetelný přívod k difúzní vývěvě, zprava míří na trubici počítač neutronů, které spolu s rentgenovým zářením doprovázejí většinu výbojů.
Sovětská ALFA: Je zatím největší zařízení pro impulsní výboje v prstencové trubici. Princip i uspořádání jsou téměř shodné s britským ZETA zařízením, avšak průměr prstencové trubice je jedenapůlkrát větší, je 4,5 m.
Diagram jednoho výboje: Na obrazovku měřicího přístroje se s neobyčejnou citlivostí zaznamenává průběh důležitých veličin: hořejší křivka ukazuje pokles napětí na elektrodách, střední křivka tvaru půlvlny zobrazuje velikost proudu během vývoje, a konečně „jazýčky“ na spodní části obrazu ukazují intenzitu neutronů. Časová osa našeho obrázku od levého okraje k pravému představuje časový úsek deseti miliontin sekundy. Přes velký význam pokusů o využití „pinč-efektu“ v přímých i prstencových trubicích se od tohoto způsobu dnes upouští, neboť nelze dosáhnout vyšších teplot než asi 10 miliónů stupňů ani delších výbojů než několik tisícin sekundy.
TRIAX realizuje nový druh strikce: Lepší teoretické předpoklady než předchozí způsoby strikce má mít tzv. rourovitá strikce /obraz vlevo/. Mezi dvěma souosými válcovitými vodiči je vakuový prostor vyplněný plazmou. Při výboji mezi dvěma prstencovými elektrodami je plazma stlačována od obou válcovitých vodičů do tenké trubky. Za stejných podmínek je stabilnější, než strikce plazmového sloupce. První zařízení tohoto typu nazvané TRIAX /vpravo/ se zkouší v americké laboratoři v Berkeley.
Přístroj pro rychlou strikci: V SSSR, Itálii a NSR se zkoušejí zařízení pro tzv. rychlou strikci. V trubici se vytvoří dutý plazmový válec, kterým se vede silný podélný elektrický proud. Vznikající magnetické pole výboje způsobí radiální implozi válce. V okamžiku, kdy se válec plazmy stlačí do šnůry, zahřeje se plazma na teplotu 9 až 15 miliónů stupňů.
Princip magnetické nádoby s magnetickými zátkami: V magnetických nádobách je plazma uzavřena do silného magnetického pole, které je vytvořeno cívkami umístěnými vně vakuové komory. Na koncích je komora uzavřena magnetickým polem zesílených cívek, které tvoří tzv. magnetické zátky neboli zrcadla. Diagram ukazuje průběh hustoty magnetického toku po délce vakuové komory s magnetickými zátkami. Podle funkce dělíme magnetické nádoby do čtyř skupin.
Magnetická komprese v magnetické nádobě: Vakuová komora má obvykle tvar dutého válce. Nízkoteplé plazma se v něm vytvoří buď pomocným ionizačním výbojem, nebo se plyn ionizuje působením vysokofrekvenčních polí. Výbojový proud se propustí závity magnetických zátek, popřípadě vnějších magnetů po dobu několika milisekund. Narůstající magnetické pole jakoby explozní vlna stlačí plazmu do nepatrného objemu. Magnetická tlaková vlna zatím dokázala např. na americkém zařízení Scylla nebo na sovětském PR-2 dosáhnout teploty kolem 40 miliónů stupňů.
Sovětská magnetická nádoba PR-2: Pokusy s touto mohutnou sovětskou magnetickou nádobou jsou velmi slibné. Plazmu lze stlačením ohřát na teplotu kolem 40 miliónů stupňů. Za vynikající výsledek lze pokládat i to, že plazmový „zhustek“ vydrží ve stabilním stavu po dobu šesti setin vteřiny!
Magnetická nádoba se stálým polem: Mezi anodou a katodou v přívodu této magnetické nádoby hoří intenzívní elektrický obloukový výboj. Z přiváděného plynu vytváří plazmu a vhání ji do osy magnetické nádoby se zátkami. Poté se mezi stěnu magnetické nádoby a sloup plazmy, který představuje opačnou elektrodu, přivede velmi vysoké napětí. Současným působením podélného magnetického pole nádoby a příčného pole elektrického se dají ionty plazmy do rychlého otačního pohybu. Rychlost pohybu částic odpovídá rychlosti částic ohřátých na 100 i více miliónů stupňů.
Vícestupňová komprese plazmy: Postupným zapínáním proudu do přídavných závitů cívek tří spojených magnetických nádob se plazmový zhustek postupně přemisťuje zprava do leva, zhušťuje se a zahřívá. Zařízení tohoto typu dnes dosahují teplot nad 100 miliónů stupňů, složité nestability však znemožňují prodloužit životnost plazmy přes deset milióntin sekundy.
Magnetická nádoba se vstřikováním urychlených částic: Do magnetické nádoby se stálým polem, uzavřené magnetickými zátkami, se urychlovačem nabitých částic vstřelují molekulární ionty. Vzhledem k jejich povaze a setrvačnosti jsou magnetickým polem nádoby jejich dráhy zakřivovány méně než dráha atomárních iontů /kreslené plnou čarou/. Atomární ionty se zachycují v magnetické pasti a po spirálových drahách putují od jedné magnetické zátky k druhé a hustota uzavřené plazmy se zvyšuje. Neutrální atomy, které se odštěpily z molekulárních iontů, past nezadrží - vyletují ven. Tohoto způsobu využívá sovětská magnetická nádoba OGRA, americká nádoba DCX a britská zařízení PHOENIX a ALICE.
Sovětská OGRA-1: Je největší magnetickou pastí na světě. Pracuje od podzimu 1958. Její komora je dlouhá 19 m, má světlost 1,4 m. Sektorové cívky /1/ vytvářejí v pasti hustotu magnetického toku 0,5 Tesla, magnetická zrcadla /2/ vytvářejí hustotu toku 0,8 Tesla. Zdroj iontů /3/ je spojen s urychlovačem, který vstřikuje ionty deuteria s energiemi kolem 200 kiloelektronvoltů.
OGRA-2: Vznikla zdokonalením magnetické nádoby OGRA-1. Stabilita plazmy se zvýšila pomocí vnějších elektrod s velmi vysokým napětím kladného znaménka. Na magnetických nádobách obou typů OGRA se objevily nové druhy nestability plazmy a ještě během pokusů se musilo zkoumat chování iontů v magnetickém poli.
Nádoby s ostroúhlou geometrií: Vytvářejí svými dvěma paralelními cívkami pole přibližně hyperbolického tvaru. Tryskou v rovině A-A se nejprve vstříkne menší množství plazmy do této magnetické nádoby a potom se narůstajícím magnetickým polem intenzívně stlačí.
„ORECH“: Je sovětské pokusné zařízení pracující s ostroúhlou geometrií. Dosažená teplota iontů přesahuje 100 miliónů stupňů. Ve srovnání s jinými systémy zařízení dává ORECH poměrně velmi hustou a stabilní plazmu /hned při prvních pokusech se dosáhlo 1015 částic v cm3 po dobu 60 mikrosekund.
Model projektu STELLARATOR: STELLARATOR /zkratka názvu Stellar generátor, tj. hvězdný generátor/ je významným americkým projektem, který se chtěl vypořádat zejména se zmenšením úniku částic z magnetické pasti. Za tímto účelem je např. u jednoho typu projektu STELLARATOR vakuová trubice zkroucena do „osmičky“ spolu se závity vyztužujícími sloupec plazmy svým polem.
Princip projektu STELLARATOR: Jiný model projektu STELLARATOR pracuje s ovládanou vakuovou trubicí. Kromě vinutí vytvářejícího „vyztužující“ magnetické pole má ještě další samostatné vinutí pro kroutivé magnetické pole /cívky jsou natočeny šikmo k ose trubice/, které vychyluje částice plazmy tak, aby nemohly při mnohonásobném oběhu dojít až k povrchu trubice. K vytvoření plazmatu v deuteriové náplni miliónkrát řidší než atmosféra se používá výboje jako v ZETĚ či ALFĚ, proto trubice prochází jádrem transformátoru. Další ohřev plazmy přebírá vysokofrekvenční pole, které vytváří zvláštní cívka. V obvodu trubice je zařazen ještě tzv. divertor, který odstraňuje plynule ze sloupce plazmatu nečistoty, jež brání dosažení vyšších teplot.
TOKOMAK - 2: Je sovětský přístroj s principem Stellaratoru, plazma se však zahřívá zejména ohmickým odporem.
Sovětský TOKOMAK-3 udržel plazmu desetinu sekundy!: Sovětský přístroj TOKOMAK-3 s principem projektu STELLARATOR a ohmickým ohřevem dosáhl rekordu ve stabilitě plazmového sloupce: plazmu zahřátou na několik miliónů stupňů udrží ve stabilním stavu téměř desetinu vteřiny.
y
