Termonukleární fúze je považována za potenciální zdroj čisté energie pro příští generace. Původní koncepty magnetického a inerciálního držení se v posledních letech ukázaly jako obtížně schůdné a metody rychlého zapálení a zapálení rázovou vlnou představují možnou alternativu.
a) Šíření svazku rychlých elektronů v dielektrickém materiálu. Svazek se šíří zleva. Elektrony na čele svazku pronikají do materiálu a ionizují ho. Další elektrony uvnitř svazku jsou zpomalovány indukovanou elektrostatickou silou. Zobrazena je distribuční funkce elektronů ve fázovém prostoru na počátku a) a v čase 148 fs pro různé history svazku b), c). Barva reprezentuje normalizovanou hustotu elektronů.
Jedním z nejdůležitějších motivů pro studium laserového plazmatu je dosažení laserem zapálené termojaderné fúze. V klasickém přístupu k laserové inerciální fúzi je malý kulový terč skládající se z několika slupek a obsahujících především palivovou směs deuteria a tritia v poměru 1:1 (DT) ozařován nanosekundovými laserovými pulsy nízké intenzity. Tepelným tlakem dojde k vytvoření rázových vln, které se šíří do středu terče a stlačují palivo na velmi vysokou hustotu. Uprostřed terče, kde se jednotlivé rázové vlny srazí, dochází k přeměně jejich energie v energii tepelnou, čímž vzniká malá oblast s velmi vysokou teplotou. V této oblasti pak dochází k zapálení fúzní reakce a šíří se odtud vlna hoření směrem ven z terče. V ideálním případě vlna hoření zapálí většinu zbývajícího paliva ještě před jeho expanzí stlačeného terče.
b)
c)
Klíčovým problémem při tomto klasického přístupu k inerciální fúze je nutnost zajištění velmi rovnoměrné komprese sférického terče. V případě nerovnoměrného toku záření, pomocí kterého je terč stlačován, nebo pokud není hustota materiálu terče rovnoměrně rozložena, mohou vznikat Rayleigh-Taylorovy nestability. Tyto nestability mohou způsobit jednak protržení slupky terče, která obklopuje palivo, a jednak smíchání studeného a horkého paliva , čímž se sníží teplota a nemusí dojít k zapálení. V klasickém přístupu k inerciální fúzi jsou nežádoucí rovněž horké elektrony, které vznikají při některých procesech v komprimovaném terči. Tyto elektrony mohou předehřát část paliva uvnitř terče a to činí jeho následnou komprimaci obtížnější.
V posledních letech byl navržen jiný způsob zapálení fúze, ve kterém je vliv horkých elektronů naopak užitečný. Stejně jako v klasickém způsobu zapálení, je i zde terč komprimován rázovými vlnami vyvolanými dlouhými nanosekundovými laserovými pulsy. Není zde však nutné, aby bylo palivo stlačováno rovnoměrně a aby uprostřed terče došlo vlivem vysoké teploty k zapálení termojaderné reakce. Místo toho se předpokládá, že stlačené palivo ohřeje a zapálí svazek horkých elektronů urychlený pomocí krátkého petawattového laserového pulsu. Toto způsob zapálení inerciální fúze se nazývá fast ignition, neboť k zapálení zkomprimovaného paliva dochází v průběhu velice krátkého časového intervalu (v řádech ps).
d) Šíření svazku rychlých elektronů v dielektrickém materiálu.
Stejně jako klasický způsob inerciální fúze, má i fast ignition své slabé stránky a doposud není zcela zřejmé, zda je fast ignition výhodnější. Největší neznámou je, jak urychlit tak hustý svazek elektronů na tak vysoké energie a jak docílit toho, aby se tento svazek elektronů dostal dovnitř terče aniž by ztratil významnou část energie se v důsledku nějaké nestability. Část tohoto problému pravděpodobně pomůže vyřešit použití zlatého kužele umístěného do terče, pomocí něhož je možné omezit vzdálenost, kterou musí horké elektrony urazit při letu do středu terče. V současné době jsou zkoumány i jiné možnosti zapálení inerciální fúze, například použití urychlených protonů či iontů namísto urychlených elektronů.
(úvodní obrázek byl převzat a více o tématu se dozvíte v: D. S. Clark et al. Phys. Plasmas 22, 022703 (2015))
