Ing. Michal Šmíd Ph.D.: Plasma Screening v horké husté hmotě.

Pracoviště: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf, Kontakt: m.smid@hzdr.de

Horká hustá hmota (Warm Dense Matter, WDM) je stav hmoty mezi pevnou fází a ideálním plazmatem. Nachází se například v jádru velkých planet a malých hvězd, nebo po extérmně krátkou dobu jako přechodový stav v laserových experimentech, mj. těch vedoucích k laserem zapálené fúzi (ICF). Má hustotu srovnatelnou s hustotou pevné látky, ale teplotu (a tedy i tlak) výrazně vyšší - tisíce až miliony stupňů. Takovýto stav hmoty je velmi náročné vytvořit a téměř nemožné udržet, a zároveň je extrémně náročné ho modelovat.

Naše skupina provedla v loňském roce experiment, při kterém jsme do měděného terčíku ‘střelili’ ultra-intenzivním rentgenovým pulzem na European XFEL v Hamburku (x-ray free electron laser). Tento laser je natolik silný, že během svého trvání (25fs) dokáže hmotu zahřát na teplotu zhruba půl miliónu stupňů.

Energie tohoto laseru jsme zároveň ladili tak, aby ‘rezonovala’ s energií různých atomových přechodů v čerstvě vzniklé silně ionizované hmotě. Poté pozorujeme rentgenové záření které je vybuzené touto rezoanancí, což nám otevírá pohled do nitra těchto atomů. Například jsme schopi pozorovat posuv některých spektroskopických čar a hran, který za těchto podmínek ještě nebyl pozorován a ani neodpovídá analytickým teoriím. Tento posuv (Stark shift) je způsoben pohybem volných elektronů v okolí vyzařujícího iontu (plasma screening) a je tedy přímo závislý na teplotě té hmoty. V našem případě je ovšem hmota v extrémně nerovnovážném stavu - to znamená že rozdělení energie elektronů neodpovídá Maxwellovu rozdělení. Tím pádem všechny modely které počítají s rovnovážným stavem nutně selhávají - jak se to ostatně děje často pro simulace WDM.

V tomto projektu nyní nabízíme studentské práce. V rámci nich seznámíme studenty s touto zajímavou tematikou, aby mohli porozumět naměřeným datům a srovnat je s teorií a modelováním. Dále se student může účastnit navazujících experimentů, případně pomoci s jejich návrhem. Naše pracoviště se nachází v Drážďanech, předpokládáme především vzdálenou spolupráci s občasným setkáním v Praze nebo u nás, a ideálně týdenní pobyt v Hamburku na experimentu. Konkrétní téma, obsah a zaměření rádi upravíme na míru zájmům studentů.

Ing. Martin Jirka, Ph.D.: Jak přeměnit světlo na hmotu?

Jedním ze způsobů, jakým může být demonstrován známý Einsteinův vztah E=mc^2, je interakce, při které spojením dvou či více fotonů vzniká hmota – elektron a pozitron. Očekává se, že elektron-pozitronové plazma bude možné generovat při interakci ultra-intenzivního laseru s fotony, které jsou vyzářené urychlenými elektrony. Takto komplexní fyzikální systém lze studovat pouze pomocí numerických simulací na superpočítačích. Cílem miniprojektu je využít simulační nástroje k identifikaci takového experimentální uspořádání, při kterém bude přeměna světla na hmotu co nejúčinnější.

Ing. Michal Kordač, Ph.D.: Simulace interakce potrubí a tekutého kovu v okruhu “Breeding Blanket” fúzních elektráren.

Klíčovým aspektem budoucích fúzních elektráren založených na fůzi izotopů vodíku je zajištění palivové soběstačnosti, především dostatečného zdroje 3H. Tuto funkci zajišťuje subsystem “Breeding blanket”, ve kterém neutrony opouštějící plasma jsou zachyceny a reakcí s Li produkují potřřebné množství 3H. V jednom z předních konceptů je lithium dodáváno v tekuté kovové formě slitina Pb-17Li, ze které je izotop 3H získáván v zařízení TER (Tritium Extraction and Recovery). Pro zajištění spsolehlivé funkce technologického okruhu je třeba ověřit veškeré aspekty interakce tekutého kovu s materiálem potrubí. Úkolem studenta/ů bude rozšířit stávající model interakce tekutého kovu s hlavní složkou ocelí, železem, o další hlavní komponentu materiálu potrubí – chrom. Studenti si budou moci vyzkoušet práci v prostředí MATLAB a tvorbu/modifikaci jednoduchého výpočetního kódu pro modelování přestupu hmoty (koroze a depozice) a případně i dalších souvisejících fyzikálních dějů v uzavřeném technologickém okruhu a jeho podčástech. Studenti se dale budou mít příležitost se seznámit s experimentálními zařízeními pro práci s tekutými kovy a studium fyzikálních dějů s účastí slitiny Pb-17Li, které slouží k podpoře vývoje subsystému “Breeding Blanket”. Výuka bude probíhat v Centru Výzkumu Řež.