Vize pro energii budoucnosti nabývá konkrétních obrysů díky novému tokamaku

Teplota až sto milionů stupňů Celsia, tedy téměř desetkrát víc, než panuje v centru Slunce, bude uvnitř pražského tokamaku COMPASS Upgrade, zařízení, jež zásadně přispěje k vývoji prototypu fúzní elektrárny a které si čeští vědci stavějí sami – to dovede jen asi pět zemí na světě. „Už jeho předchůdce COMPASS nás vyzvedl mezi světovou špičku,“ říká Radomír Pánek z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Z uplynulých dvanácti let experimentů bude těžit ITER, první energeticky ziskový tokamak.

Byť se v následujících desetiletích budeme s fúzní energií a slovem tokamak setkávat stále častěji, dnes zní velmi exoticky. Co vlastně znamená?

Popravdě, už jsem se setkal i se zkomoleninou tomahavk, ale s indiánskou zbraní nemá tokamak nic společného. Slovo vzniklo složením počátečních písmen z ruského „toroidalnaja kamera s magnitnymi katuškami“ neboli toroidální komora s magnetickými cívkami, což je celkem odpovídající popis toho, jak celé zařízení vypadá. Má dvě základní části: toroidální vakuovou komoru, tedy takový prstenec, ve kterém se generuje plazma, a okolo něj pak cívky vytvářející magnetické pole.

Proč vůbec chceme generovat plazma ve velkém? Zmiňme, že plazma je čtvrté skupenství hmoty, jež tvoří převážnou část vesmíru. Na Zemi ho můžeme pozorovat třeba při bouřce ve formě blesků, na severu zeměkoule jako polární záři nebo také v zářivkách.

Motivace je jednoduchá – termonukleární fúze probíhající v plazmatu v budoucích fúzních elektrárnách bude představovat nejúčinnější, stabilní, bezpečný, téměř nevyčerpatelný a zároveň nízkoemisní způsob výroby elektrické energie. Velmi zjednodušeně lze porovnat roční vstup paliva do elektrárny, která má výkon jeden gigawatt, tedy asi jako jeden blok Temelína – tepelná elektrárna by potřebovala dvě stě padesát vlaků po sto vagonech uhlí, jaderná jeden a půl vagonu paliva, tedy 28 tun uranu nebo oxidu uraničitého, kdežto fúzní elektrárně pro tentýž výkon bude stačit jedno auto naložené pěti sty kilogramy paliva, vodíkových izotopů, a vyprodukuje zhruba stejné množství neškodného hélia. Jedná se tedy o rozdíl mnoha řádů.

Malé výboje plazmatu generují i oblíbené plazmové lampy.

Na konci vší snahy vědců v tomto odvětví tedy bude stát fúzní elektrárna. Jak vzdálená realita to z dnešního pohledu je?

Optikou výstavby velkých zdrojů energie tak vzdálená není. Takzvaná Evropská cestovní mapa pro realizaci fúzní elektrárny předpokládá první dodávky energie z fúze do sítě kolem roku 2060. Nicméně klíčovým krokem v tomto vývoji bude úspěch experimentálního tokamaku ITER v jižní Francii, který se dokončuje a bude spuštěn pravděpodobně v roce 2026. Půjde o první fúzní zařízení, jež bude produkovat více energie – přibližně pět set megawattů –, než spotřebuje na svůj provoz.

Na jeho podobě má zásluhu i český tokamak COMPASS, který v tuto chvíli po dvanácti letech úspěšných experimentů uvolní místo COMPASSU Upgrade. K tomu se ale ještě dostaneme. Nejprve vysvětleme, co je obecně úkolem zařízení typu tokamak.

Cílem je vytvořit malé Slunce na Zemi, tedy generovat a udržet plazma o velmi extrémních teplotách a zapálit v něm termonukleární fúzní reakci. Plazma je samo o sobě poměrně nestabilní skupenství a my jej musíme udržet uprostřed vakuové komory tak, aby se nedotýkalo stěn, co nejlépe ho tepelně izolovat a ohřát na teplotu potřebnou pro zapálení reakce. A to vůbec není triviální. Slunci, které se stejně jako všechny hvězdy taky skládá z plazmatu, pomáhá k jeho udržení a zapálení termonukleární reakce gravitace. Je vlastně obrovskou koulí plazmatu a díky její velikosti a hmotnosti dokáže gravitační síla vyvinout hustoty a teploty dostatečné k zapálení a udržení termonukleární reakce. Toho samozřejmě v pozemských podmínkách nemůžeme dosáhnout.

Jak se to dá řešit?

Nejpokročilejší koncept, takzvané magnetické udržení, využívá silných magnetických polí pro udržení a izolaci plazmatu v prostoru. Plazma se skládá z nabitých částic, elektronů a iontů, a ty se poměrně složitě pohybují, protože spolu všechny interagují. Pokud ovšem plazma vložíme do silného magnetického pole, elektrony a ionty se mohou pohybovat pouze podél magnetických siločar, zatímco v kolmém směru je jejich pohyb zcela omezen. Aby plazma neunikalo ani ve směru podél magnetických siločar, jejich konce na sebe navážeme tím, že dáme magnetickému poli toroidální geometrii. Zároveň tím chráníme i stěnu vakuové nádoby před extrémními tepelnými toky. V reálném plazmatu ale existují turbulence, které bohužel snižují efektivitu zachycení plazmatu pomocí magnetického pole, a proto jsme v minulosti museli hledat další způsoby, jak únik částic a energie z plazmatu co nejvíce potlačit.

Pohled do vakuové komory v tokamaku COMPASS, v němž právě hoří plazma.

Sám pojem magnetické udržení evokuje spíš jakousi druhou fázi procesu, kdy už plazma existuje a je potřeba ho uchovat. Jak ale v tokamaku vůbec vznikne?

Před vytvořením plazmatu musíme v komoře dosáhnout velmi vysokého vakua. Posléze do ní dodáme menší množství pracovního plynu. V případě naší laboratoře používáme vodík nebo deuterium, což je zcela bezpečný izotop vodíku. Za určitých podmínek pak dojde k průrazu a vytvoření plazmatu. To je nutné ohřát na velmi vysoké teploty, abychom byli schopni napodobit podmínky, které budou v budoucích fúzních reaktorech. V nich teplota plazmatu dosahuje více než sto padesát milionů stupňů Celsia, což je přibližně desetkrát víc než v centru Slunce. V případě našeho tokamaku COMPASS Upgrade bude teplota o něco nižší.

Sto padesát milionů stupňů? Opravdu existuje přístroj, který něco takového dokáže?

Ano, ale vývoj takových systémů trval několik desetiletí. Slouží k tomu buď urychlovače generující svazek atomů s vysokou energií, který se vstřikuje do plazmatu a předává mu energii, anebo se využívá mikrovlnné záření vysílané speciální anténou v blízkosti plazmatu. Podobně fungují mikrovlnné trouby, ale v našem případě mají tyto systémy výkony v řádu megawattů. Další velkou výzvou, na které stále pracujeme, je najít způsoby, jak plazma ještě lépe izolovat od svého okolí a snížit tím jak jeho energetické ztráty, tak ochránit stěny vakuové či reaktorové nádoby před extrémním tepelným tokem. Počátkem osmdesátých let byl objeven nový režim udržení plazmatu, takzvaný high confinement mode neboli H-mód, kdy při vhodné kombinaci parametrů plazmatu dochází k potlačení či roztrhání okrajové turbulence, což vede následně k výraznému nárůstu teploty i hustoty v jeho centru. Jeho nevýhodou ale je, že je doprovázen plazmovou nestabilitou, která se projevuje periodickými výtrysky horkého plazmatu směrem ke stěně.

To pro izolaci tepla asi není to pravé ořechové…

Pro současné tokamaky to není zásadní problém, ale pro zmíněný největší tokamak na světě ITER to již představuje významnou komplikaci. Jeden výtrysk horkého plazmatu, který by se měl opakovat několikrát za sekundu, ponese energii srovnatelnou s výbuchem ručního granátu. To by samozřejmě vedlo k rychlému poškození takzvané první stěny reaktoru. Na problém se posledních patnáct let soustředila pozornost fúzní vědecké komunity a podařilo se již vyvinout způsoby, jak nestability potlačit. Nicméně výzkum v této oblasti pokračuje intenzivně dál a zaměřujeme se především na nalezení nových provozních režimů plazmatu a nových topologií magnetického pole, které by umožnily dosáhnout ještě lepších výsledků.

Systém COMPASS v pražském Ládví sloužil vědeckým experimentům dvanáct let.

Právě díky tokamaku COMPASS jste přispěli k vylepšení návrhu mezinárodního projektu ITER. Jaké nejdůležitější výsledky COMPASS pro ITER připravil?

Jmenoval bych tři rozsáhlé série experimentů, ale ve skutečnosti jich samozřejmě bylo daleko víc. Jako první na světě jsme změřili, popsali a objasnili, jak plazma interaguje s první stěnou. V tokamaku ITER bude obložena speciálními destičkami z beryllia, které budou v počáteční fázi výboje v intenzivním kontaktu s plazmatem. Při simulaci této fáze výboje na současném největším evropském tokamaku JET poblíž Oxfordu se zjistilo, že z neznámých důvodů dochází k roztavení a poškození části destiček. Na našem tokamaku jsme experimentálně objevili a popsali nový fyzikální jev, který tento problém způsoboval.  Následně jsme pro ITER navrhli úpravy konstrukce, které budou tento jev eliminovat. Další série experimentů se týkala disrupcí, tedy procesů, při nichž plazma náhle, v řádu milisekund, ukončí svoji existenci. Současně dojde k náhlému přerušení proudu o velikosti až milionů ampérů, který teče plazmatem. Nashromážděná energie se pak indukuje do vodivých struktur v okolí plazmatu, především do vakuové komory, kterou začnou téct obrovské elektrické proudy o velikosti mnoha stovek tisíc ampérů. Protože se tak děje v oblasti vysokého magnetického pole o velikosti jednotek tesla, výsledná elektromagnetická síla, která navíc může rotovat s frekvencí blízkou mechanické frekvenci jednotlivých částí tokamaku, způsobuje jejich extrémní namáhání. V této souvislosti jsme experimentálně potvrdili novou teorii o indukci proudu z plazmatu do struktur tokamaku a jeho šíření, která následně umožnila upřesnit predikci pro tokamak ITER.

A třetí příklad přínosu pražského tokamaku?

Jedna z našich posledních studií se zabývala požadavkem ITER Organization na určení, jaký vliv má přesnost instalace centrálního solenoidu na parametry plazmatu. V případě ITERu se jedná o cívku o váze desítek tun umístěnou uprostřed toroidu a při její instalaci je nutné najít přiměřený kompromis mezi přesností, a tím i cenou instalace, a případnými dopady nepřesností na budoucí provoz a dosahované parametry. Tokamak COMPASS byl jako jediný na světě vybaven speciálními cívkami, které umožnily simulovat jak posun centrálního solenoidu mimo osu tokamaku, tak i jeho náklon. Díky spolupráci mezi experimentátory a teoretiky bylo možné provést ověření teoretických modelů a připravit predikci pro případ cívek tokamaku ITER. Rád bych ale zmínil, že experimenty pro ITER představovaly jen část úkolů COMPASSu – primárně byl vytěžován experimenty, o které v režimu Open Access žádaly ročně desítky zahraničních uživatelů z evropského konsorcia EUROfusion, jež koordinuje fúzní výzkum v Evropě a Česká republika i náš ústav jsme jeho součástí již více než dvacet let.

V tuto chvíli je COMPASS rozebrán a na jeho místě vyroste nástupce COMPASS Upgrade. Co bude jeho úkolem?

COMPASS Upgrade bude tokamak střední velikosti s unikátní schopností generovat velmi vysoké magnetické pole o velikosti až pět tesel a elektrický proud až dva miliony ampérů. Tahle kombinace parametrů spolu s teplotou první stěny až pět set stupňů Celsia umožní vytvářet uvnitř tokamaku podmínky, které budou v mnoha ohledech podobné budoucímu fúzního reaktoru DEMO. Ten plánuje Evropa začít stavět přibližně kolem roku 2040 a nebude to již klasický vědecký experiment, ale prototyp komerčního reaktoru. Cílem našeho zařízení bude vyřešit některé z výzev spojené s jeho konstrukcí. Jedna z nich například souvisí s odvodem energie z plazmatu – tedy jak dostat z plazmatu, v kterém hoří termonukleární reakce, to obrovské množství energie bez poškození stěn a dalších komponent ven k výrobě elektřiny. Materiály první stěny budou totiž tepelně namáhány podobně, jako kdybyste je položila na okraj Slunce.

ITER v jižní Francii (na snímku podoba areálu z května 2020) bude mezistupněm k prototypu fúzní elektrárny DEMO.

Máte už nějakou představu, jak to vyřešit?

Ano, existuje několik způsobů, které se již v menší škále testovaly nebo čekají na experimentální ověření. Náš nový tokamak, zahrnutý již nyní do Evropské cestovní mapy pro realizaci fúzní energie, bude mimo jiné evropským testovacím zařízením pro vývoj technologie tekutých kovů. Dnešní konvenční tokamaky používají pro tepelně nejvíce namáhanou oblast – takzvaný divertor – desky vyrobené z odolného wolframu. Stejnou technologii bude využívat i ITER. Nicméně už dnes víme, že pro DEMO toto řešení nestačí, a proto se vyvíjí metoda samoobnovování poškozených povrchů pomocí tekutých kovů. Konkrétně to znamená, že desky divertoru budou tvořeny porézním wolframem, skrz nějž bude v důsledku kapilárních sil vzlínat ze zásobníku tekutý kov – slitina lithia a cínu. Ten na povrchu vytvoří tenkou vrstvu, se kterou bude interagovat dopadající plazma. Pokud dojde k poškození nebo odpaření této vrstvy, okamžitě se sama obnoví. Technologii jsme již úspěšně otestovali na našem tokamaku COMPASS, kde jsme prokázali, že takový systém odolá tepelným tokům až 15 MW/m². V novém tokamaku COMPASS Upgrade budeme technologii již testovat za podmínek podobných fúznímu reaktoru a ve větší škále. O vývoj této technologie má zájem také americké Ministerstvo energetiky (US Department of Energy), se kterým jsme před třemi roky podepsali dohodu o spolupráci.

Čím se nový tokamak v pražském Ládví, jehož spuštění se plánuje na přelom let 2024 a 2025, bude lišit od svého předchůdce?

Rozdíl bude zásadní. Nový tokamak bude představovat svými parametry unikátní zařízení, které nemá a v nejbližší budoucnosti nebude mít k dispozici žádná jiná laboratoř na světě. Fyzicky bude dvakrát větší než COMPASS, v průměru bude mít šest metrů a na výšku také šest metrů. Dramatický rozdíl ale je například v hmotnosti, kdy COMPASS vážil pětadvacet tun, zatímco nový tokamak bude mít tři sta padesát tun. I jeho provozní specifikace budou výrazně jiné. Zatímco COMPASS pro vytvoření magnetického pole potřeboval příkon asi padesát megawattů po dobu dvou sekund, nový tokamak bude vyžadovat příkon přes tři sta megawattů po dobu několika sekund, které budou dodávány ze dvou rázových generátorů, každý s váhou sto padesát tun.

Vizualizace nového tokamaku COMPASS Upgrade. Bude dvakrát větší než jeho předchůdce a celý systém bude krýt kovový plášť (kryostat).

Na rozdíl od tokamaku COMPASS, který jste dostali darem od britských vědců, si COMPASS Upgrade stavíte celý sami. Co to obnáší?

Primárně je pro nás obrovskou výzvou navrhnout, spočítat, namodelovat a zkonstruovat takto komplexní zařízení. Po dokončení demontáže stávajícího tokamaku COMPASS projde současná experimentální hala zásadními stavebními změnami, aby do ní mohlo být nové experimentální zařízení instalováno. Pro systém napájení, diagnostické systémy a mikrovlnné systémy přistavíme třípodlažní halu a dále halu pro dva velké rázové generátory pro napájení tokamaku. Zmíním jednu z technických výzev: budeme muset být schopni první stěnu uvnitř tokamaku udržovat na teplotě pět set stupňů Celsia, aby simulovala podmínky v budoucím reaktoru DEMO. Je to třeba i kvůli tekutým kovům, protože až se budou vlivem plazmatu vypařovat, kondenzovala by slitina cínu a lithia na všech površích, pokud by stěna okolo byla studená. Ale to není všechno – teď si představte, že máte vakuovou komoru o pěti stech stupních Celsia a pár centimetrů vedle jsou cívky, které se musejí udržovat na minus dvou stech stupních. Takže na malé vzdálenosti musíte dlouhodobě odseparovat takhle rozdílné teploty, aby tokamak byl schopen provozu.

Zvládnutí takových výzev vás jistě staví mezi špičku v oboru.

Věříme v to. Zemí, které dnes umějí postavit takový tokamak, není moc, odhadem pět až sedm na světě. Dokonce si troufám říct, že COMPASS Upgrade bude jeden z nejkomplexnějších a technicky nejnáročnějších tokamaků současnosti. Ale jak při instalaci jeho předchůdce, tak i za dvanáct let jeho provozu jsme se toho spoustu naučili a vychovali nové generace vědců a inženýrů, kteří – a o tom nemám pochyb – to dokážou.

Zhruba takto bude vypadat vakuová komora nového tokamaku COMPASS Upgrade.

doc. RNDr. Radomír Pánek, Ph.D.

Ústav fyziky plazmatu AV ČR

Od roku 2015 stojí v čele ústavu. Loni byl jmenován do funkce místopředsedy Správní rady a předsedy Technického poradního panelu Evropského společného podniku Fusion for Energy, který zajišťuje evropskou část projektu ITER (Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor) s rozpočtem 12 miliard eur. Reprezentuje Evropu ve Vědecké radě projektu ITER. Ve své vědecké práci se zabývá zejména technologií fúzních zařízení, interakcí vln s plazmatem, fyzikou okrajového plazmatu či vývojem pokročilých diagnostik. Přednáší na Matematicko-fyzikální fakultě UK a Fakultě jaderné a fyzikálně-inženýrské ČVUT.

Text: Jana Bečvářová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Pavlína Jáchimová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR; Shutterstock; archiv Ústavu fyziky plazmatu AV ČR

Přečtěte si také

• Ochočené světlo: Nové mikroskopy proniknou do dříve netušených hloubek
• Deformace silou magnetu. Unikátní spektroskopie odhalila vlastnosti slitiny
• Revoluční metoda českých vědců odhaluje strukturu chromozomu
• Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
• Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
• Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů
• Čistíme vodu efektivně? Kvalitu je možné snadno zvýšit, říkají vědci
• Výměna dvou Sluncí: jaderná fúze slibuje bezpečnou a čistou budoucnost
• Pohyb světlem od dávné vesmírné sci-fi po dnešní realitu mikrosvěta
• Obstála ve světě oceli, navíc v Japonsku. Vědkyně rozvíjí unikátní mikroskopii