Jeden z hlavních požadavků, kterým musíme vyhovět, abychom dokázali přimět jádra k fúzi a donutili je vyrábět energii pro náš prospěch, je zahřátí paliva na velmi vysokou teplotu. V mezinárodním termojaderném reaktoru ITER bude nainstalováno hned několik metod ohřevu a jejich cíl není o nic menší než dosažení teploty 150 milionů stupňů Celsia v centru plazmatu.
Primární ohřev, společný všem tokamakům, souvisí s magnetickým polem, které je v tomto zařízení využíváno hlavně k samotnému udržení horkého plazmatu – tedy nabitých částic. Poloidální složka (kolem menšího obvodu prstence) magnetického pole totiž způsobuje existenci velmi silného proudu v celém prstenci. Tento proud urychluje ionty i elektrony, prostřednictví srážek se ale mění směr rychlosti těchto částic, takže výsledkem je zrychlení chaotického pohybu – tedy zvýšení teploty. Kolize tedy vytvářejí elektrický odpor a plazma se zahřívá klasickým Joulovým teplem. Elektrický odpor plazmatu ale se zvyšující se teplotou paradoxně klesá (v podstatě „srážka“ pro rychlejší částice trvá kratší dobu, takže si nestihnou předat tolik energie). S odporem klesá i žádoucí efekt ohřevu, ohmický ohřev má vždy své limity, příliš daleko od požadovaných teplot. Pokud chceme dosáhnout dalšího zvyšování teploty a překonat teplotní práh, nad kterým už jsou fúzní reakce dostatečně pravděpodobné, musíme použít specializovaná zařízení umístěná mimo tokamak.
V současnosti se používají dvě hlavní metody externího ohřevu: vstřikování neutrálních částic a ohřev pomocí vysokofrekvenční elektromagnetických vln. Tyto dvě metody také zajistí dostačující ohřev v tokamaku ITER.
Princip ohřevu pomocí svazků neutrálních částic je velmi prostý – do plazmatu střílíme částice s rychlostí řádově vyšší, než je tepelná rychlost částic v tokamaku. Neutrální částice potřebujeme, protože nabité by se nedokázaly dostat přes bariéru magnetického pole, které drží plazma. Na druhé straně neutrální částice efektivně nelze urychlovat, proto se jedná o velmi složité zařízení. Mimo tokamak jsou v malém urychlovači urychleny deuterony (jádra vodíku s jedním neutronem – jeden z reaktantů nejsnáze proveditelné fúzní rekce) až na potřebnou energii. Tyto rychlé ionty poté procházejí „neutralizátorem iontového svazku“, kde se části z nich podaří zachytit elektron. Těm, kterým se to povedlo, už nestojí nic v cestě, aby dosáhly horkého plazmatu, ostatní jsou odkloněny zpátky na začátek procesu. Rychlé atomy tedy dosáhnou až do centra plazmatu, kde se srážkami zpomalí a předají tak svou energii ostatním částicím.
Miliony wattů tepelného výkonu mohou díky této technologii ohřívat plazma, a cílové teploty v okolí 150 milionů stupňů jsou zase o něco blíž. Třetí zdroj tepla – vysokofrekvenční elektromagnetické vlny – by podle plánu už měl dotáhnout teploty v ITER až nad zmíněnou magickou hodnotu.
Princip této metody ohřevu není nepodobný principu fungování mikrovlnné trouby. Energie, kterou nesou elektromagnetické vlny specifické frekvence je předána částicím, čímž se zvýší rychlost jejich chaotického pohybu a tím i teplota plazmatu. Tři typy vln, které se liší, jak frekvencí, tak metodou produkce, budou podle tohoto principu účinkovat v reaktoru ITER. Jedna z těchto frekvencí odpovídá charakteristické frekvenci elektronů v magnetickém poli, druhá charakteristické frekvencí iontů a třetí jejich kombinaci. Pomocí elektromagnetických vln tak můžeme maximalizovat ohřev plazmatu.
Shrňme si tedy metody, které nám pomáhají dosahovat oněch neuvěřitelných teplot. Ohmický ohřev, neutrální svazky, vysokofrekvenční vlny – to jsou naše možnosti jak zapálit fúzní reakci. Tajným přáním vědců je dosáhnout „zapálení“, nebo stavu „hořícího plazmatu“ – v takové situaci probíhá dostatek fúzních reakcí na to, aby se dostatečná teplota udržovala pomocí rychlých jader helia, která při reakci vznikají. Vnější ohřev se potom může omezit případně úplně vypnout.
Plazma, které si alespoň 50% energie nutné k průběhu fúze produkuje samo, je zásadním krokem k dosažení cíle – výroby elektrické energie.
Zdroj: ITER, Atominfo.cz
