Plasma duration time

1. Zaměření práce

Lidstvo potřebuje energii. Používáme ji všude a každodenně na počítači, televizi, mobilu, ke svícení, k ohřátí jakékoli látky či dokonce jídla. A myslím si, že jí budeme potřebovat čím dál víc k chodu těchto věcí. Motivací mé práce bylo nalézt nejoptimálnější podmínky k vytvoření co možná nejdelšího výboje plazmatu, který mi tokamak dovolí. Chtěl jsem dosáhnout aspoň na počátek, který jsem, jako všichni vědci chtěl objevit. Měl jsem možnost pracovat s tokamakem Golem v Praze, kde jsem se naučil, jak se ovládá, jak se získávají data a jaké grafy a závěry z nich mohu udělat.

2. Úvod

Tokamak je zařízení, vytvářející toroidální magnetické pole, používané jako magnetická nádoba pro uchovávání vysokoteplotního plazmatu. Slovo pochází z ruštiny, kde Токамак je zkratkou popisu тороидальная камера с магнитными катушками" (toroidní komora v magnetických cívkách). Myšlenka tokamaku se zrodila v 50. letech Igorem Jevgeněvičem Tammem a Andrejem Sacharovem. Dnes se tokamaky považují za jednu z nejnadějnějších cest k realizaci kontrolované jaderné fúze.

3. Úvod do termojaderné fúze

Termojaderná fúze je proces, při kterém se slučují lehká jádra, vznikají jádra těžší a uvolňuje se energie. K jejímu dosažení je nutné, aby se reagující jádra přiblížila vzájemně natolik, že převládne jaderná síla přitažlivá nad elektrickou silou odpudivou. Aby částice překonaly odpudivou Coulombickou bariéru (tedy aby se dostaly dostatečně blízko k sobě a převládly přitažlivé jaderné síly), musí se vzájemně srážet s velkou rychlostí. Nejefektivnějším způsobem jak toho dosáhnout, je ohřátí paliva na velmi vysokou teplotu. V pozemských podmínkách je z hlediska energetického využití nejvhodnější reakce deuteria a tritia (těžký a supertěžký izotop vodíku). Při této reakci vzniká helium aneutron. Výše zmíněná reakce je nejvhodnější zejména z důvodu nejnižší potřebné "zápalné" teploty ze všech fúzních reakcí. Jedná se o teplotu "pouze" 100 až 200 miliónů K. První podmínkou zvládnutí řízené termojaderné fúze je dosažení této teploty. Jakýkoliv materiál je při takto vysoké teplotě ve stavu plazmatu. Z toho vyplývá druhá podmínka pro úspěšné zvládnutí řízené termojaderné fúze - zabránit dotyku horkého plazmatu a stěny komory.

4. Princip tokamaku

Tokamak je zařízení, které zabraňuje dotyku plazmatu a stěny komory pomocí magnetického pole. Jeho základní částí je vakuová reakční komora ve tvaru prstence, která je obklopena cívkami toroidálního magnetického pole (na obrázku schéma tokamaku modře). Tyto cívky vytvoří v komoře velmi silné magnetické pole (několik T), které udržuje plazma. Prstencová komora tokamaku je sekundárním závitem transformátoru, který v komoře generuje proud v toroidálním směru (na velkých zařízeních až několik MA). Tento proud vytváří kolem sebe poloidální magnetické pole. Pokud složíme magnetické pole toroidální a poloidální, dostáváme výslednou konfiguraci magnetického pole ve tvaru šroubovice (spodní schéma na obrázku schéma tokamaku). Siločáry takto vytvářeného magnetického pole se do sebe uzavírají v reakční komoře. Připomeňme, že se elektricky nabitá částice pohybuje podél magnetické siločáry. Právě proto by měly částice plazmatu zůstávat v komoře izolované od stěny. Různé nestability a difúze částic napříč magnetickým polem výrazným způsobem zhoršují udržení plazmatu.

5. Ohřev plazmatu

Plazma v tokamacích je ohříváno třemi základními způsoby - proudovým ohřevem, mikrovlnami a svazky neutrálních částic.

5.1 Proudový ohřev

Vzhledem k tomu, že má plazma nenulový elektrický odpor, je ohříváno procházejícím elektrickým proudem. Protože elektrický odpor plazmatu s rostoucí teplotou klesá a vzhledem k existenci fyzikálního limitu omezujícího maximální možný proud plazmatem lze tímto způsobem dosáhnout teplot maximálně v řádu desítek miliónů K. Z tohoto důvodu je třeba použít ještě další metody ohřevu plazmatu.

5.2 Mikrovlnný ohřev

Tento druh ohřevu spočívá v tom, že jsou do plazmatu vysílány mikrovlny o vhodné vlnové délce. Ty s plazmatem interagují a předávají mu svou energii, čímž ho ohřívají.

5.3 Ohřev neutrálními svazky

Plazma je možné ohřívat také vstřikem urychlených neutrálních částic. Vzhledem k tomu, že neexistuje efektivní způsob urychlení neutrálních částic na požadovanou energii (až 1 MeV), musí být částice urychlovány jako nabité a před vletem do tokamaku musí být zpětně neutralizovány. Neutrální částice neinteragují s magnetickým polem tokamaku a proto se snadno dostanou až do středu komory tokamaku, kde jsou v důsledku srážek s částicemi plazmatu opět ionizovány, začnou se tedy pohybovat podél magnetické siločáry a svou energii předávají srážkami částicím plazmatu.

6. Experiment o délce výboje v závislosti T, B, U, E

6.1 Postup procesu vytvoření výboje

1. K experimentu je potřeba nejprve vypumpovat plyn a tlak, který tam byl z předchozího pokusu.

2. Zapneme méně výkonnou rotační vývěvu, která vypumpuje vzduch přibližně na 50 mPa.

3. V tomto kroku je potřeba naplnit komoru pracovním plynem tak, že zapneme druhou více výkonnou rotační vývěvu, která vypumpuje zbytek vzduchu asi na 10-20 mPa a následně otevřeme postupně ventily od pracovního plynu a vženeme molekuly vodíku do komory.

4. V tuto chvíli už máme připraven tokamak k nabití cívek a zažehnutí plazmatu.

5. Následně je potřeba na internetovém interface portálu zadat hodnoty, které chceme měřit.

6. Pokud jsme to udělali, už nám stačí jen jméno a heslo do centrálního spouštěče celého procesu tzv. střílení.

7. Následně nastavíme kapacitu kondenzátorů na toroidálním magnetickém poli Ub, dále na kolik mPa se vypustí komora, na jaké napěti se nabijí kondenzátory a pak jaký rozdíl bude mezi spuštěním magnetického pole a napětí na kondenzátorech.

8. Dáme výboj plazmatu do řady a spustí se sekvence.

6.2 Postup měření

Vybral jsem si veličinu, kterou budu měřit a ostatní, které jsem neměřil, jsem dal do nějaké polohy a v celém měření jedné série jsem je nechal konstantní. Z grafu jsem pak vybral její maximální hodnotu a tu jsem dal do dalšího měření a vybral jsem si nějakou další hodnotu, pro kterou jsem měřil zase celou sérii. Pak jsem znova vybral největší hodnotu a tak dokola, až jsem našel maximální délku plazmatického výboje.

7. Výsledky pokusu