Vědci v jaderném fúzním reaktoru v Číně nedávno překonali důležitou překážku v provozu reaktorových nádob při vysoké hustotě. Posunuli hustotu plazmy o 65 % za speciální práh, čímž vstoupili do stabilního stavu, který překonává dlouhodobou bariéru pro dosažení hořícího plazmatu, což je fáze, kdy se fúzní reakce stává soběstačná.
Fúzní energie napodobuje to, co se děje uvnitř slunce. Atomy vodíku do sebe narazí tak silně, že se spojí do hélia a uvolní se tak velké množství energie. Tato reakce však funguje pouze tehdy, jsou-li atomy nacpané do malého prostoru při extrémní teplotě, typicky více než 100 000 000 °C.
Greenwaldův limit
V reaktorech navržených k udržení těchto reakcí vědci měří úspěch pomocí trojitého produktu: hustoty násobené teplotou násobenou dobou zadržení. Všechna tři čísla musí být velmi vysoká, aby inženýři dosáhli vznícení, stavu, ve kterém se fúzní reakce sama udržuje. Hustota je počet částic paliva, které lze vtlačit do reaktoru. Větší hustota znamená více srážek a více fúze.
Má to ale háček. Po celá desetiletí narážely tokamaky, magnetické nádoby ve tvaru koblih, určené k držení superžhavého plazmatu, na Greenwaldův limit hustoty. Za touto hranicí se plazma zhroutí a dojde k narušení, které by mohlo poškodit reaktor. Greenwaldův vzorec spojuje tento limit s proudem plazmy a velikostí reaktoru.
Fúzní reaktor EAST v Hefei v Číně obvykle pracuje na 80 % až 100 % tohoto limitu.Ale v novinách z 1. ledna Vědecké pokrokytým EAST oznámil, že dosáhl stabilního plazmatu při hustotách 1,3x až 1,65x limitu.
Teplota na divertoru
Tým toho dosáhl kombinací dvou technik. Nejprve použili při spouštění elektronový cyklotronový rezonanční ohřev (ECRH). V ECRH jsou mikrovlnné paprsky vystřelovány do plazmatu a zahřívají elektrony na miliony stupňů. To se děje před zvýšením proudu plazmy, velkého elektrického proudu, který protéká plazmou, aby ji zahřál a pomohl vytvořit magnetickou klec. Za druhé, tým začal s větším množstvím deuteriového plynu v komoře a poté přiváděl vodíkové palivo, když se plazma zahřívala.
Pro experimenty byly wolframové povrchy EAST také potaženy tenkou vrstvou lithia, aby byly upraveny a snížily se nečistoty.
Celková kombinace změnila způsob, jakým plazma interagovalo se stěnami reaktoru.Když se plazma dotkne stěn, atomy wolframu ze stěn se uvolní do plazmatu. Wolfram je nečistota, která vyzařuje velké množství tepla, což může způsobit kolaps plazmy.
To vytváří začarovaný kruh. Horká plazma naráží na stěny, uvolňuje nečistoty, nečistoty vyzařují teplo, plazma se zahřívá v místech, která se snaží kompenzovat, tato horká místa narážejí na stěny silněji a uvolňují více nečistot. Nakonec se systém může ve spirále rozpadnout.
V roce 2021 fyzik Dominique Escande a jeho kolegové z univerzity Aix-Marseille ve Francii vyvinuli teorie samoorganizace plazmové stěny (PWSO). předvídat toto chování matematicky. Teorie říká, že existují dva stabilní stavy: režim limitu hustoty blízko Greenwaldovy limity a režim bez hustoty, kde limit hustoty překračuje limit.
Rozdíl mezi těmito dvěma stavy je teplota na divertoru, části reaktoru, kde se plazma setkává se stěnami. Chladnější divertor znamená šetrnější srážky mezi částicemi a stěnou, méně nečistot, a tím i čistší plazmu, která dokáže hustěji nabalit atomy vodíku.
Méně prskání
Tým EAST provedl dvě sady experimentů. V prvním drželi výkon ECRH na 600 kW a měnili tlak plynu. Ve druhém upravili tlak plynu a měnili výkon ECRH.
Tímto způsobem tým zjistil, že více plynu v komoře vedlo k chladnějšímu divertoru a menší kontaminaci wolframem.
Změna výkonu ECRH měla menší účinek; v článku výzkumníci napsali, že to může být proto, že při testech použili relativně nízký tlak plynu.
Schematické znázornění provozu tokamaku EAST při spouštění za pomoci ECRH. | Fotografický kredit: Yan Ning
Jedno neočekávané zjištění vyplynulo z opakovaných záběrů ECRH s identickým nastavením. Pozdější experimenty dosahovaly vyšších hustot než ty první, a to i při stejném příkonu a přívodu plynu. Tým zjistil, že to bylo způsobeno tím, že se podmínky stěny v průběhu času zlepšily, protože několik plazmat s vysokou hustotou „kondicionovalo“ její wolframový povrch, takže byla méně náchylná k rozprašování.
Experimenty byly schopny dosáhnout hustoty až 5,6 × 1019 částic na metr krychlový, asi o 65 % vyšší než normální reaktor EAST 3,4 × 1019. Teplota plazmy v blízkosti terče divertoru také klesla zhruba o třetinu, z asi 1,1 milionu na 0,7-0,8 milionu stupňů C. Plazma také obsahovalo méně těžkých atomů.
Za limitem
Měření pozoruhodně dobře odpovídala předpovědím teorie PWSO. Tým testoval jak zjednodušený nulový rozměrový model, tak i složitější jednorozměrný model, aby simuloval způsob, jakým se měnila teplota a hustota nečistot v plazmatu. Oba modely umístily výsledky EAST přímo do režimu bez hustoty, stabilního stavu, ve kterém hustota plazmatu překračuje Greenwaldovu mez.
Předchozí experimenty na tokamaku J-TEXT ve Wuhanu zůstaly v režimu limitu hustoty. Rozdíl by mohl být v uhlíkových stěnách reaktoru J-TEXT. Zatímco wolfram rozstřikuje bombardováním plazmy, uhlík prochází dalšími chemickými reakcemi a uvolňuje více nečistot.
Nový pokrok „neřeší“ fúzní energii. Testy EAST probíhaly při relativně nízkém výkonu a plazmovém proudu a trvaly několik sekund, spíše než hodiny potřebné pro elektrárnu.
Režim bez hustoty také není skutečně neomezený. Při extrémní hustotě mohou nezávisle na divertoru vznikat různé typy turbulencí a nestability. S rostoucí hustotou budou inženýři také potřebovat více energie, aby udrželi plazmu dostatečně horkou, aby se spojila. Ale tato omezení vznikají daleko za hranicí Greenwalda.
V budoucích experimentech by podle článku mohli inženýři dále snížit teplotu divertoru zvýšením výkonu ECRH i tlaku plynu, případně dosažením úplného oddělení, což je stav, kdy se plazma sotva dotýká stěn. Oddělené plazmy by mohly pracovat při hustotách několikanásobku Greenwaldova limitu.
Důležité pro ITER
„Zjištění naznačují praktickou a škálovatelnou cestu pro rozšíření limitů hustoty v tokamacích a zařízeních pro fúzní plazmu spalování nové generace,“ uvedl ve zprávě Zhu Ping z Huazhong University of Science and Technology ve Wu-chanu a spoluvedoucí nové studie.
Výzkumníci v oblasti fúze se často zaměřují na teplotu a dobu zadržení, zatímco hustotu považují za omezenou Greenwaldovým limitem. Nové experimenty tento předpoklad zpochybňují. Potenciální důsledek je, že pokud reaktor může běžet při dvojnásobné hustotě paliva, mohl by dosáhnout podmínek pro vznícení při nižších teplotách nebo s kratší dobou zadržení.
To je důležité pro ITER, velký mezinárodní fúzní experiment ve výstavbě ve Francii, do kterého Indie investovala.
„Limit hustoty je jedním z kritických problémů tokamakového plazmatu pro fúzní elektrárnu. Teorie samoorganizace plazmové stěny navržená v článku … by měla být ověřena, aby se překonala hranice hustoty v ITER,“ napsal Ryoji Hiwatari z Japonského národního institutu pro kvantovou a radiologickou vědu a technologii na X.com.
mukunth.v@thehindu.co.in
Publikováno – 13. ledna 2026 06:00 IST
