Světy mimo rovnováhu (fyzika)
SVĚTY MIMO ROVNOVÁHU
Jean Pierre PETIT – Bývalý ředitel výzkumu – CNRS FR.
- ledna 2013
Pdf (anglicky) Pdf (francouzsky)
Když si běžný člověk představí rovnováhu systému, obvykle si představí kouli v hlubokém studnu nebo něco podobného.
Teorie termodynamické rovnováhy obsahuje něco jemnějšího: dynamickou rovnováhu. Nejjednodušší příklad je vzduch, který dýcháme. Jeho molekuly jsou neustále pohybovány ve všech směrech s průměrnou tepelnou rychlostí 400 m/s. S obrovskou rychlostí se tyto molekuly navzájem srážejí, interagují. Tyto srážky mění jejich rychlosti. Fyzik to však převede na statistickou stacionaritu (používá se termín „podrobná rovnováha“). Představte si trpaslíka, který by v každém okamžiku a v každém bodě místnosti mohl změřit rychlost molekul v daném směru s malou úhlovou neurčitostí. V každém časovém intervalu náš trpaslík zaznamená rychlosti V a V + ΔV, algebraické hodnoty. Poté tyto hodnoty znázorní na grafu a pozoruje, jak se objeví hezká Gaussova křivka s průměrnou hodnotou v vrcholu blízko 400 m/s. Čím rychlejší nebo pomalejší jsou molekuly, tím menší je jejich populace.
Opakuje tuto operaci směřující svůj měřicí přístroj do jakéhokoli směru prostoru a – překvapení, překvapení – získá stejný výsledek. Pohyb molekul v místnosti je izotropní. Navíc nic nemůže tento dynamický stav porušit, pokud zůstává teplota konstantní, protože teplota plynu je přesně průměrná kinetická energie způsobená touto tepelnou agitací. Fyzik tento plyn popíše jako v termodynamické rovnováze. Tento stav je mnohostranný: molekuly vzduchu nemají kulovou symetrii. Dvojatomové molekuly, jako kyslík nebo helium, jsou tvaru oříšku. Molekuly oxidu uhličitého nebo vodní páry mají jiný tvar. Všechny tyto objekty při rotaci mohou uchovávat energii jako malé běžce. Tyto molekuly mohou také vibrovat. Koncept rovnoměrného rozdělení energie říká, že energie se musí rovnoměrně rozdělit do všech těchto různých „módů“. Při srážce může část kinetické energie přejít do vibrace nebo rotace molekuly. Opak je také pravdivý. Všechno to tedy závisí na statistice, a náš trpaslík může spočítat, kolik molekul se nachází v daném stavu, má danou kinetickou energii nebo je ve stavu vibrace. Vrátíme-li se k našemu dýchání: tento přehled vede k stacionárnímu stavu. Takové prostředí se pak označuje jako v termodynamické rovnováze, tedy uvolněné. Představte si čaroděje, který má moc zastavit tyto molekuly, zmrzlý pohyb rotace nebo vibrace, může je libovolně měnit, vytvoří tak nové statistické pravidlo, deformuje tu krásnou Gaussovu křivku, dokonce vytvoří anizotropní jevy, například zdvojnásobením tepelné rychlosti v jednom směru ve srovnání s příčnými směry. Nakonec nechá systém evoluovat podle nových srážek. Kolik takových srážek je potřeba, aby se systém vrátil do termodynamické rovnováhy? Odpověď: velmi málo. Průměrná volná dráha molekuly mezi dvěma srážkami dává představu o době uvolnění v plynu, o době návratu k termodynamické rovnováze.
Existují prostředí mimo rovnováhu, kde statistické rychlosti molekul zásadně odchylují od této pohodlné izotropie a krásy Gaussových křivek?
Ano, ano! A to je dokonce většina ve vesmíru. Galaxie, tato „ostrov-vesmír“, složená z několika set miliard hvězd, jejichž hmotnosti jsou přibližně stejné, může být považována za plynné prostředí, ve kterém by molekuly měly být… hvězdy. V tomto konkrétním případě objevujeme zmatený svět, kde průměrná volná doba hvězdy před setkáním s sousední hvězdou je deset tisíckrát větší než věk vesmíru. Co myslíme slovem „setkání“? Má jít o srážku, kdy se dvě hvězdy náhle zničí? Vůbec ne! Ve fyzikální teorii nazývané kinetickou teorií plynů se za srážku považuje situace, kdy se dráha hvězdy výrazně změní při průchodu blízko sousední hvězdy.
Nicméně výpočty dokazují, že tyto jevy jsou extrémně vzácné a naše systémy s několika set miliard hvězd lze obvykle považovat za bez srážek.
Po miliardách let je dráha našeho Slunce pravidelná, téměř kruhová. Kdyby naše Slunce bylo samo vědomé a nezměnilo by svůj tempa kvůli setkáním, vůbec by nevědělo o sousedech. Cítí pouze gravitační pole jako „hladké“. Pohybuje se svým tempem jako v nádrži, aniž by vnímal žádné nerovnosti způsobené jinými hvězdami. Okamžitě se objevuje důsledek: umístěme našeho trpaslíka, nyní astronom, poblíž Slunce v naší galaxii a požádejme ho, aby vytvořil statistiku rychlosti sousedních hvězd ve všech směrech. Nyní se objevuje zřejmý fakt. Dynamicky řečeno, prostředí je silně anizotropní. Existuje směr, kde rychlosti pohybu hvězd (astronomové je nazývají „reziduální rychlosti“, vzhledem ke střední rotaci galaxie, téměř kruhové a okolo 230 km/s poblíž Slunce) jsou prakticky dvakrát vyšší než ve kterémkoli jiném příčném směru. U našeho dýchání to znamenalo sférickou distribuci rychlostí – nyní se stává elipsoidní distribuce rychlostí. Dosud všechno v pořádku? Jak to ovlivňuje naše vnímání, naše pochopení světa? Změní to všechno! Protože z dálky nemůžeme zpracovávat teorie systémů tak silně mimo rovnováhu.
Přeskočme paradoxní stav galaxií, způsobený tímto zlým efektem temné hmoty (chybějící hmoty), objevené v roce 1930 americkým švýcarským vědcem Fritzem Zwicky, a v každém případě nemůžeme vytvořit žádný model bodové samotěžké hmoty (obíhající ve svém vlastním gravitačním poli). Naše fyzika zůstává stále blízko stavu termodynamické rovnováhy. Samozřejmě každá odchylka od tohoto nebo onoho představuje odchylku od rovnováhy, například teplotní rozdíl mezi dvěma plynnými oblastmi, což způsobí přenos tepla, přenos kinetické energie z tepelné agitace. V tomto případě, když znovu dám svému trpaslíkovi práci, vyvodí, že prostředí je dynamicky „téměř izotropní“. To platí pro naši atmosféru i při největších bouřích.
Je tedy nemožné narazit, „dotknout se“ situací, kdy je plynné prostředí, kapalina, zásadně mimo rovnováhu? Takové případy najdeme při průchodu rázovými vlnami. Jsou to omezená území, přesně tak, že tloušťka rázové vlny je řádově rovna počtu středních volných drah.
Když plyn projde rázovou vlnou, přechází náhle z stavu blízkého termodynamické rovnováhy do „zráženého“ stavu a termodynamická rovnováha se obnoví po několika středních volných drahách.
Před čtyřiceti lety jsme v laboratoři, kde jsem pracoval (teď zbourané „Institut de Mécanique des Fluides de Marseille“), zaznamenali pozorování. Měli jsme tzv. „rázové trubice“, druh plynových kanónů. Princip: pomocí exploze jsme spustili rázovou vlnu, která se šířila rychlostí několika tisíc metrů za sekundu v řídkém plynu – původně byl tento plyn při tlaku několika milimetrů rtuti. Průchod rázové vlny znovu stlačuje plyn a zvyšuje jeho hustotu.
Hustotu jsme mohli snadno a přesně sledovat pomocí interferometrie. V té době jsme také měřili tepelný tok na povrchu modelů z plextu. Protože experimenty trvaly jen zlomky milisekundy, musely být naše měřicí přístroje rychlé. Přesně byly tvořeny tenkými kovovými vrstvami o tloušťce jednoho mikrometru, vysráženými ve vakuu na stěnu a působící jako termistory. Tepelný tok jsme vyhodnotili záznamem odporu těchto senzorů při jejich ohřívání.
Jeden den jsme umístili senzor přímo na stěnu trubice. Pozorovali jsme, že tepelný tok dosáhl senzoru po určitém zpoždění po průchodu rázové vlny, která byla zaznamenána náhlým nárůstem hustoty. Avšak ověřili jsme, že tepelné zpoždění senzoru bylo dostatečně malé, aby toto zpoždění nevycházelo z něj. Ve skutečnosti jsme se dotkli jevu návratu k přibližné termodynamické rovnováze za rázovou vlnou.
To lze porovnat s úderem kladiva. Nejenže došlo k náhlému zvýšení hustoty, ale pozorovali jsme i nárůst teploty, což znamená zvýšení tepelné rychlosti molekul. Avšak za touto vlnou se izotropie obnoví až po několika středních volných drahách. Okamžitě před frontou hustoty je tepelná agitace vyjádřena pohybem začínajícím kolmo na směr vlny.
Když senzor přijímá teplo, pochází z nárazů molekul vzduchu na jeho povrch. Avšak okamžitě před frontou hustoty, na určité vzdálenosti, se tepelná agitace vyvíjela rovnoběžně se stěnou. Plyn byl dobře „zahřátý“, ale dočasně nedokázal přenést toto teplo na stěnu. Během srážek se „elipsoid rychlostí“ měnil na „sféroid rychlostí“ a senzor nakonec vrátil tepelný tok, který přijal. Pamatuje se mi, že s experimentálním zařízením, které měli, jsme tento tepelný tok zaznamenali přibližně jeden centimetr před frontou hustoty.
Takže rázové vlny představují úzké oblasti, kde je plynné prostředí silně mimo rovnováhu.
Jak s tím zacházíme? Děláme z nich plochy nulové tloušťky. A funguje to už skoro sto let.
Mám dost věku, abych znal skoro celou historii počítačů od začátku. Když jsem byl studentem na „École Nationale Supérieure de l’Aéronautique“, nebyl v budově žádný počítač. Ty byly umístěny v svatyních zvaných „výpočetní střediska“, ke kterým neměli přístup. Počítali jsme pomocí logaritmických pravítek, zvláštních předmětů pro dnešní generaci. Ve třídách vysoké školy měl každý svou tabulku logaritmů a každá zkouška zahrnovala náročný test numerického počítání s těmito předměty, které jsou dnes vystaveny v muzeích.
Když jsem opustil školu pro letectví, začínaly se objevovat mechanické stroje (FACIT), ručně provozované. K násobení čísel se otáčel křížek jedním směrem, k dělení druhým.
Profesoři nebo vedoucí oddělení měli elektrické stroje, které rozrušovaly ticho kanceláří svým zvukem ozubených kol v Institutu pro mechaniku tekutin v roce 1964. Počítače měly čestnou pozici jako vzdálení bohové, viditelné jen skrz okno v těchto výpočetních centrech. Tyto počítače, jejichž výkon odpovídá dnešnímu kapesnímu počítači, byly obsluhovány kněžími v bílých soutanech. S nimi se mohlo komunikovat jen prostřednictvím tlusté hromady perforovaných karet, které čtečka mechanicky a hluboce četla. Koupili jsme „čas výpočtu“ za sekundu, tak drahý, že pro dnešní mladé je to jako doba neolitu.
Invasivní příchod mikropočítačů vše změnil. Navíc rychlost růstu výkonu počítačů byla tak velká, že internet je dnes plný obrázků, kde se objevují obrovské místnosti plné záhadných černých skříní, které spravují ohromné množství dat.
Megaflops, gigaflops, petaflops – všude! V sedmdesátých letech bylo možné snadno přečíst obsah RAM Apple II, celý napsaný ve formě malého sešitu.
Žijeme ve světě promethejském. Můžeme říci, že tyto moderní nástroje zvyšují naše ovládání fyziky? Připadá mi na mysl příběh. Ve Francii jsem byl pionýr mikropočítačů, spravoval jsem jeden z prvních center (na základě Apple II) věnovaných této technologii. V té době jsem byl také profesorem sochařství na École des Beaux-Arts v Aix-en-Provence. Jednoho dne jsem představil systém, který pomocí plochého plotru kreslil podle libosti ovládané perspektivy. Starší profesor, zvednuv obočí, řekl: „Neříkej mi, že počítač nahradí umělce?“
Přeformulováno bychom mohli představit kolegu, který po návštěvě obrovského datového centra prohlásil: „Neříkej mi, že počítač nahradí mozek?“
I přes nezastavitelný nárůst výpočetní síly a masivní množství procesorů jsme od toho daleko. Nicméně v určitých oblastech tyto systémy vyhodily do koše naše tabulky logaritmů a logaritmická pravítka, mezi jiným. Kdo ještě počítá integrály ručně, tužkou a papírem? Kdo si stále hrává s diferenciálním počtem, kromě čistých matematiků?
Dnes věříme, že „počítač dělá vše“. Píšeme algoritmy, dodáváme data, spouštíme výpočty, dokud nedostaneme výsledky. Pokud chceme nakreslit budovu nebo krásný inženýrský díl, funguje to skvěle. Teorie tekutin je také úspěšná.
Můžeme umístit plochu libovolného tvaru kolmo na proud plynu a spočítat schéma vířivého proudění kolem ní, bez ohledu na její tvar. Shoduje se to s experimentem? Ne vždy. Kvalitativně stav ovládáme: například můžeme spočítat spolehlivou hodnotu odporu způsobeného tímto vířivým prouděním plynu. Stejně tak spočítáme účinnost hoření uvnitř válce, proudy konvekce v uzavřeném prostoru. Předpověď počasí se rychle rozvíjí, pro předpověď několika dnů, s výjimkou „mikrojevů“, velmi lokalizovaných a stále nedostupných. Je to tak ve všech oblastech?
Existují tělesa, která odmítají být ovládána tímto moderním lvičkem, kterým je počítač. Jsou to plazmy mimo rovnováhu, držící titul ve všech kategoriích. Odchylují se i od teorie tekutin, i přes jejich rodinnou podobnost, protože jsou ovlivněny dálkovými silami způsobenými elektromagnetickým polem, jehož účinek lze vyhodnotit pouze s ohledem na všechny iontové částice tvořící systém.
Někdo řekne: „Je to jedno. Stačí považovat plazmu za systém N těles.“ Snadnější říct než udělat! Výše jsme mluvili o galaxiích jako o příkladech světů bez srážek. Tokamaky jsou jiným příkladem (ITER je obrovský tokamak). Plyn, který obsahují, je extrémně řídký. Před spuštěním by tlak uvnitř 840 metrů krychlových ITER byl nižší než zlomek milimetru rtuti. Proč tak nízký tlak? Protože musíme tento plyn zahřát na více než 100 milionů stupňů. Víte, že tlak se vyjadřuje vztahem: p = nkT – k je Boltzmannova konstanta, T je absolutní teplota a n je počet částic na metr krychlový. Uzavření plazmy závisí pouze na magnetickém tlaku, který roste s druhou mocninou magnetického pole.
Při intenzitě pole 5,2 Tesla je magnetický tlak 200 atmosfér. Pro uzavření plazmy musí být její tlak zůstat výrazně pod touto hodnotou. Kvůli použití supravodivého zařízení nelze magnetické pole neomezeně zvyšovat, takže hustota plazmy uvnitř komory reaktoru zůstává omezena na velmi nízké hodnoty. Z těchto faktů vidíme, že jde o těleso úplně bez srážek, které se nedá spolehlivě popsat makroskopicky. Můžeme jej řešit jako problém N těles? O tom ani nemluvte, ani v současnosti, ani v budoucnosti – je nemožné počítat lokálně, jako to děláme u neutrálního proudění tekutin. Každá oblast je propojena se všemi ostatními prostřednictvím elektromagnetického pole. Vezměme například problém přenosu energie z jádra plazmy ke stěnám. Kromě mechanismu podobného vedení a kromě turbulence se objevuje třetí možnost, nazývaná „anomální transport“, která používá… vlny.
Shrnutí: Tokamak je pravý noční můra pro teoretika.
Plazma samo o sobě, kromě svého neovládaného chování, není jediným prvkem zapojeným. Je tu celá řada dalších věcí: zejména nevyhnutelná ablace částic z povrchu. Ti, kdo znají planér, znají základní parametr těchto strojů: poměr vztlaku a odporu: vyjadřuje počet metrů ujetých za jeden metr pádu (poměr plavání). Při dané rychlosti křídlo planéru vytváří určitou sílu vztlaku. Při stejné rychlosti získáme odporovou sílu, která má dvě příčiny: první je indukovaný odpor:
Můžeme umístit plošný prvek libovolného tvaru kolmo na nějaký plynný proud a spočítat vířivý tok kolem něj, bez ohledu na jeho tvar. Sedí to s experimentem? Ne vždy. Kvalitativně událost ovládáme – například můžeme spočítat spolehlivou hodnotu aerodynamického odporu jako výsledek tohoto víření plynu. Stejně tak počítáme účinnost hoření uvnitř válce nebo konvekční proudy v uzavřeném prostoru. Předpovídající meteorologie se rychle rozvíjí a poskytuje časový rámec několika dnů, s výjimkou „mikrojevů“, velmi lokalizovaných, které zatím nejsou řiditelné. Je to tak ve všech oblastech?
Existují tělesa, která se odmítají ovládat touto moderní „lvičkou“, jakou je počítač. Jsou to „nerovnovážné“ plazmy, majitelé všech kategorií. Odchylují se i od teorie tekutin, i přes určitou rodinnou podobnost, protože jsou ovlivněny silami působícími na dálku kvůli elektromagnetickému poli, jehož účinek lze vyhodnotit pouze s ohledem na všechny iontové částice tvořící systém.
Nevadí, řeknete si. Stačí uvažovat plazmu jako systém N těles. Snadnější říct než udělat! Dříve jsme mluvili o galaxiích jako o příkladech světů bez srážek. Tokamaky jsou jiný druh (ITER je obrovský tokamak). Plyn, který obsahují, je extrémně řídký. Před zahájením by tlak uvnitř 840 metrů krychlových ITER byl nižší než zlomky tlaku rtuti v milimetrech. Proč tak nízký tlak? Protože tento plyn musíme zahřát na více než 100 milionů stupňů. Víte však, že tlak se vyjadřuje vztahem p = nkT – k je Boltzmannova konstanta, T absolutní teplota a n počet částic na metr krychlový. Uvěznění plazmy je způsobeno pouze magnetickým tlakem, který roste s druhou mocninou magnetického pole.
Při intenzitě pole 5,2 Tesla je magnetický tlak 200 atmosfér. Pro udržení plazmy musí být její tlak značně pod touto hodnotou. Díky použití supravodivého zařízení nelze magnetické pole neomezeně zvyšovat, takže hustota plazmy v reaktorové komoře zůstává omezena na velmi nízké hodnoty. Z těchto skutečností vidíme těleso úplně bez srážek, které uniká jakékoli spolehlivé makroskopické definici. Můžeme jej řešit jako problém N těles? Neusni o tom ani v minulosti, ani v budoucnosti – lokální výpočet, jako je možný u mechaniky neutrálních tekutin, není možný. Každá oblast je propojena s každou jinou prostřednictvím elektromagnetického pole. Například problém přenosu energie z jádra plazmy ke stěnám zahrnuje nejen mechanismus podobný vedení, nejen turbulentní jevy, ale také třetí možnost, nazývanou „abnormální transport“, který využívá… vlny.
Zkrátka a dobře – tokamak je pro teoretika absolutní noční můra.
Plazma samo o sobě, kromě své neregulované chování, není jediným prvkem zapojeným do tohoto procesu. Je zde všechno ostatní: například nevyhnutelná ablaze částic ze stěny. Ti, kdo létají na plané, znají základní parametr těchto strojů – poměr vztlaku ku odporu: vyjadřuje počet metrů ujeté dráhy za každý metr ztracené výšky (poměr klouzání). Křídlo pláně, při dané rychlosti, vytváří určitou vztlakovou sílu. Při téže rychlosti vzniká odporová síla, která má dva zdroje: první je indukovaný odpor – ztráta energie kvůli vírům na koncích křídla.
Nelze se mu vyhnout, pokud nemáte nekonečnou rozpětost… Proto mají pláně velmi dlouhou rozpětost, často přes 20 metrů, s poměrem rozpětosti k průměrné šířce křídla větším než 20. Druhým zdrojem odporu je viskózní odpor. Snížíme jej hledáním co nejhladší povrchu křídla. Skvělým leskem odložíme vznik turbulence v okolí povrchu křídla. Tento jev je základní nestabilitou tekutiny, a i nejlepší lesk může tento vznik jen zpomalit. Naopak může být turbulence zahájena malou poruchou. Pokud se podíváme na sloup kouře v klidném vzduchu, je to proud horkého plynu, barvivý svým obsahem částic. Tento sloup kouře, na začátku klidný, se po několika desetinách centimetru výstupu stane velmi turbulentním, bez ohledu na klid okolního vzduchu. Přidáním překážky, například jehly, do tohoto stoupajícího proudu můžeme způsobit trvalou turbulentní nestabilitu. Stejně se děje i na malé nerovnosti na lesklém povrchu křídla pláně, která způsobí lokální turbulentní jevy, zvýšené o faktor desetin až stovky odporu vzduchu, tedy celkového odporu. U moderních plání se podařilo udržet laminární proudění (bez turbulence, paralelní vrstvy) na více než 60 % tětivové čáry. Pokud náhodou narazí mravenec na přední okraj, tato malá nerovnost způsobí turbulentní jevy v oblasti o 30 stupňů dále. Proto mají soutěžní pláně zařízení pro čištění předního okraje, automaticky a včas spouštěné, které lze srovnat s lineárním větrným štítem – druh štětce, který se pohybuje po předním okraji tam a zpět a vrátí se do skryté polohy. Obrovské úsilí bylo vynaloženo na zvýšení celkového poměru klouzání letadel, aby se snížilo spotřebováno paliva. V šedesátých letech měla „Caravelle“, která dokázala létat mezi Orly a Dijonem, poměr klouzání 12. Dnes mají i tyto obrovské Airbusy 380 poměr klouzání víc než 20.
To znamená, že při ztrátě pohonu, s čtyřmi motory vypnutými, mohou počínaje výškou 10 tisíc metrů klouzat více než 200 kilometrů.
Zpět k plazmám a tokamakům: v těchto strojích může mikroskopická turbulence být zahájena malými částicemi, odtrženými ze stěn, a rozšíří se po celém reakčním prostoru. Když mluvíme o turbulentních jevech, rozsah je extrémně velký a rozšiřuje se od této mikroturbulence až po elektrodynamické konvulze plazmy zahrnující celý objem.
Závěrem: inženýři vůbec neovládají stroj, pokud nepoužívají přibližné empirické „inženýrské zákony“ o nízké spolehlivosti, týkající se provozního systému. V oblasti, kde nerovnováha je králem, kde měření je extrémně obtížné, počítač nepomáhá. Experiment je jediným vůdcem. Také extrapolace vede k objevu nových neočekávaných jevů, jako například vertikální pohyb plazmy (VDE – Vertical Displacement Event), který se objevil při přechodu z velikosti TFR v Fontenay aux Roses na JET v Culham.
Nedávná katastrofa NIF (National Ignition Facility, umístěná v Livermore, Kalifornie) je dobrým příkladem hlubokého selhání ve velkých a nákladných zařízeních s pomocí nejvýkonnějších počítačů na světě. Toto je závěr kampaně NIC (National Ignition Campaign) po dvou letech pokusů, mezi roky 2010 a 2012. Systém tvořený 192 lasery dodává 500 terawattů (více než tisíckrát výkon americké elektrické sítě) během několika nanosekund na kulový cíl o průměru 2 mm, naplněný směsí deuteria a tritia, která je umístěna do středu válcové skříně o délce 2 cm a průměru 1 cm, nazývané Holraum (pekař v němčině).
Plán je následující: polovina laserových svazků, tvaru disku, exploduje do otvoru jedné strany Holraumu, druhá polovina vniká do otvoru opačné strany. Tyto extrémně tenké UV svazky dopadají na vnitřní stěny pekaře, vyrobené z hořčíku. Ten pak emituje rentgenové záření. Laserové svazky, přesně zaměřené, vytvořily tři skupiny bodů na vnitřní stěně. Emisní rentgenové záření následně dopadá na kulový cíl. Nyní mluvíme o nepřímém osvětlení. Tento systém byl zaveden hlavně k mimikrám fúzního stádia vodíkové bomby, kde rentgenové záření (tentokrát generované jaderným rozpadem) dopadá na stěny pláště nazývané ablator, obsahující fúzní exploziv (lithiový deuterid). V NIF byl tento prvek nahrazen směsí deuteria a tritia, kde začíná fúze při nižší teplotě, řádově 100 milionů stupňů. Obal (ablator, tenká kulová skořápka) sublimuje a exploduje ve dvou směrech – ven i dovnitř. Používáme tuto zpětnou kompresi k vytvoření „horkého místa“ uprostřed cíle, s nadějí na iniciování fúze v systému inerciálního uvěznění.
Všechno bylo spočítáno pod vedením Johna Lindla. V roce 2007 popsal v článku věnovaném tomuto vědci při udělování Maxwellovy ceny velmi přesně, co se stane. Teoretici byli tak sebevědomí, že Lindl neváhal prohlásit, že iniciování bude základem rozsáhlé série experimentů. Stejně tak testový manažer, který si dokonce stanovil termín úspěchu – říjen 2012, který měl korunovat třicetileté úsilí teoretické i technologické.
Výsledkem byla obrovská katastrofa, zveřejněná v zprávě z 19. července 2012, vydané D.O.E. (US Department of Energy) a psané pod dohledem Davis H. Crandalla.
To, co by mělo zůstat z této zprávy o tomto velmi důležitém dokumentu, je to, že i přes výbornost této práce, jak technologickou, tak měřicí, nic z toho, co se z experimentu objevilo, nemělo žádný vztah k vypočítaným datům a předpovědím získaným s pomocí nejvýkonnějších počítačů.
Až do bodu, kdy někteří pozorovatelé začali se ptát, zda tyto simulace mohou představovat nějakou hodnotu pro budoucí experimenty.
Krize NIF je jasná – nelze zvýšit počet laserů (na bázi neodymového skla) kvůli nákladům. Nelze opět zvýšit jejich jednotkový výkon – ve skutečnosti, když jsou přehřáté na určitou úroveň, explodují, ať už je homogenita nebo kvalita skla jakákoli.
Pro úspěšné iniciování fúze a inerciálního uvěznění musí být rychlost imploze alespoň 370 km/s. Nejenže tato rychlost není dosažena, ale ještě vážnější je to, že když obal tvořený ablátorem se promění v plazmu a tlačí svůj D-T obsah, „píst se smíchá s palivem“, kvůli dobře známé nestabilitě Rayleigh-Taylor. Pro minimalizaci jejích účinků musíme ztloustnout ablator. Ale pak se zvýší jeho setrvačnost a prahová rychlost imploze opět nebude dosažena.
Simulace provedené na počítači daly nesprávné výsledky ve všech oblastech. Jak uvádí zpráva D.O.E., modelování interakcí mezi laserem a stěnami (účinek rentgenových paprsků na zlaté stěny) není uspokojivé, i přes desítky let výzkumu věnované tomuto problému a stovky dizertací a článků. Stejně tak interakce mezi rentgenovými paprsky, podle zákona nazývaného „inverzní Ramanův rozptyl“, s zlatou plazmou vznikající sublimací stěnového zlata v komoře. Interakce rentgenového záření s ablatorem také není správně simulována. Nakonec algoritmy výpočtu (LASNEX) zcela podhodnotily váhu nestability Rayleigh-Taylor, deformaci kontaktu mezi ablatorem a deuteriem-tritiem, připomínající střevní chloupky.
Tyto neúspěchy ukazují omezení důvěry, kterou můžeme vkládat do výsledků skvělých počítačových simulací, když se tyto stroje snaží řešit problémy zásadně mimo rovnováhu, převážně nelineární, kde hraje roli mnoho mechanismů špatně modelovaných.
Dr. Jean Pierre Petit