Compass míří do Prahy

TERMOJADERNÁ FÚZE JAKO VÝCHODISKO Každý slušný článek o termojaderné fúzi začíná hrozbou globálního kolapsu světa způsobeného nedostatkem energie, který je zapříčiněn a) vyčerpáním dosavadních zdrojů, b) nárůstem poptávky, c) zhoršením životního prostředí, d) všemi předchozími katastrofami současně. Představit si důsledky takových příběhů nemusí být až tak těžké. Obrázek jak energetická krize může vypadat nám přiblížila předvánoční sněhová kalamita, která odřízla řadu vesnic a částí měst od elektrické energie. Stačí si vzpomenout na novoroční utažené kohoutky plynovodů ústící na Ukrajině a představy prognostiků nabudou velmi aktuálních kontur. A to už nemluvím o ropných krizích! Hledání zdrojů energie, které nahradí fosilní paliva nebo pošlou do důchodu štěpné jaderné elektrárny je tedy, kromě uspokojování vědeckých choutek několika mimořádně schopných jedinců, i mimořádně potřebná společenská činnost. Bez jakýchkoli pochyb je nejblíže tomuto cíli termojaderná energie, z ní magnetické udržení a z něho princip zvaný tokamak. Termojaderná energie se uvolňuje při sloučení jader lehkých atomů, jsou-li ohřáta na potřebnou teplotu, což v našem případě obnáší stovky milionů stupňů. Aby látka s takovou teplotou - plazma - fungovala po potřebnou dobu a nevychladla dotykem se stěnou nádoby - je izolována magnetickým polem - proto "magnetické udržení". Konečně nejúspěšnější magnetická konfigurace se nazývá tokamak, což je zkratkové slovo pocházející z bývalého Sovětského svazu. V roce 1958 v moskevském Kurčatovově ústavu atomové energie zkrátili Toroidalnuju kameru s magnitnymi katuškami na slavný TOKAMAK. Loňský rok byl z hlediska řízené termojaderné fúze přelomový. Po téměř tříletém dohadování se šestice zemí - účastníků projektu ITER, 28. června v Moskvě dohodla na místě stavby, když japonské Rokkashomuro "podlehlo" soustředěnému ekonomickému tlaku evropského Cadarache. V současné době na světě funguje kolem 30 tokamaků nejrůznější velikosti a nejrůznějšího zaměření, z nichž největší je evropský obr JET (Joint European Torus). Stojí v britském Culhamu a provozuje ho prostřednictvím European Fusion Development Agreement (EFDA) UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority). Na něm, či lépe řečeno v něm, byla poprvé na světě v roce 1991 zapálena termojaderná fúze, která uvolnila významné množství termojaderné energie, 2 MW fúzního výkonu byly překročeny o 6 let později výkonem 16 MW. To odpovídá "zesílení" 0,65. Skutečného zesílení dosahujícího nejméně čísla 10 by měl dosáhnout právě ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Ten také díky supravodivým cívkám udržujícího magnetického pole bude poskytovat termojaderné plazma po dobu několika desítek minut, což je oproti desítkám sekund plazmatu na JET značný krok vpřed. Vedle fyzikálních experimentů s dosud vědě neznámým hořícím plazmatem - plazma je ohříváno podstatnou měrou energií uvolněnou při fúzi - jsou na pořadu nesmírně důležité technologické experimenty, které budou trvat nejméně deset let. Tepelné toky, toky energetických neutronů a jejich působení na stěny reaktoru, chování obalu obsahující lithium plodící druhou složku paliva - tritium - a chladicí medium, jsou velké neznámé, neboť situaci lze simulovat jen do jisté míry. Ještě během fungování ITER je plánována výstavba demonstračního reaktoru DEMO, který již bude dodávat energii do turbogenerátoru a vyrábět elektřinu. Komerční využití termojaderné energie v termojaderné elektrárně, když se nevyskytnou principiální problémy, se očekává zhruba v polovině tohoto století. MODERNÍ TOKAMAK PRO ČR Než se dostaneme k úloze České republiky ve výzkumu termojaderné fúze jejíž blížícím se vrcholem bude převoz tokamaku Compass D z Culham Science Centre do pražského Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, vrátíme se o třicet let zpět, vlastně ke slavným letům objevování tokamaku. Tehdy jsme byli jednou z mála zemí světa, která byla schopna vyrobit a postavit štěpnou jadernou elektrárnu sama. Ovšem této situaci předcházela usilovná vědecko - výzkumná a pedagogická práce řady nadšenců. Třeba kolem reaktoru LVR 15 v Řeži a kolem Fakulty technické a jaderné fyziky ČVUT v Praze. Obě instituce vyplnily do rodného listu rok 1955. Výzkum termojaderné energie v České republice má svůj počátek v roce 1959, kdy byl založen Ústav fyziky plazmatu AV ČR. Od té doby má ÚFP AV ČR na kontě jak několik světových výsledků, tak dlouhodobou pedagogickou činnost. V roce 1999 se Česká republika zapojila oficiálně do evropského termojaderného výzkumu asociací s EURATOM. V roce 2005 došlo k mimořádně odvážnému rozhodnutí zmíněného Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, který přijal nabídku britského UKAEA na převzetí tokamaku Compass D. Compass D nahradí nejstarší fungující tokamak na světě - CASTOR z roku 1958! Mimochodem nabídka UKAEA směřující do Prahy nespadla z nebe. Byla oceněním výborných výsledků šestileté práce ÚFP AV ČR v asociaci i schopnosti našich odborníků připravit potřebné technické zázemí a vědecký program. PŘEDNOSTI TOKAMAKU COMPASS D Jak už bývá mezi vědci zvykem, slovo Compass má význam samo o sobě a při tom vzniklo zkrácením slov COMPact ASSembly (kompaktní sestava/spojení/montáž). Compass zahájil činnost v roce 1989 a o tři roky později začal pracovat s novým průřezem komory ve tvaru písmene D. Zdaleka vědecky nevyčerpán, ustoupil mladšímu kolegovi a většímu - kulovému tokamaku MAST (Mega Amper Spherical Torus), který mu přebral v roce 2001 jak fondy tak obsluhu. Compass D je o 30 let mladší než CASTOR a o 5 let mladší než největší tokamak na světě JET. Třicet let se zhmotnilo v 13krát větší proud plazmatem - 320 kA, 20krát větší délku výboje - až 1 s, v moderní tvar průřezu výbojové komory podobný písmenu D, v divertor (zařízení pro řízení termojaderného výkonu a odstraňování nečistot z plazmatu), v 60 diagnostických oken, v dodatečný unikátní mikrovlnný ohřev resp neinduktivní vlečení proudu, které už nyní jsou zárukou experimentů umožňující těsnější zapojení České republiky do evropského fúzního programu, zvýšení počtu výzkumníků zabývajících se v České republice fúzí a širší spolupráci České republiky s evropskými asociacemi k EURATOM. Projekt může vytvořit nové možnosti pro český průmysl ve fúzním výzkumu a může zvýšit jeho šance při získávání zakázek pro projekt ITER, o kterých se začíná velmi intenzivně jednat. Compass D pozvedne úroveň fúzního výzkumu v České republice na podstatně vyšší úroveň. Tokamak Compass D umožní realizovat experimenty v souladu s připravovaným R&D programem Evropského výzkumu termojaderné fúze doprovázející mezinárodní projekt ITER. Krátce a stručně, zatímco pionýrská nicméně dnes již zastaralá konstrukce tokamaku CASTOR (malý rozměr a absence divertoru) neumožňovala experimenty relevantní k mezinárodnímu zařízení ITER, tokamak Compass D je k podobným fyzikálním i technologickým pokusům předurčen. V současné době se řeší způsob dodávky elektrické energie pro nové zařízení, neboť odběr potřebného výkonu 50 MW, byť jen na několik vteřin, přímo ze sítě není možný. Povolený příkon je totiž 1 MW a je tudíž třeba potřebnou energii akumulovat. Nabízejí se dvě možnosti - baterie superkondenzátorů nebo vysokoobrátkové setrvačníky. Superkondenzátory poskytují velkou kapacitu při malém objemu a používají se u hybridních samohybů. Setrvačníkem akumuluje energii i největší tokamak na světě JET, který na část pulsu používá dva kolosy o hmotnosti 750 tun, které roztáčejí menší "lodní" elektromotory. Nicméně vysokoobrátkové modulární setrvačníky by slavily tokamakovou premiéru a mohly prošlapat stopu jiným fúzním experimentům. Dalším problémem je umístění nového tokamaku. Stávající prostory, které by se eventuálně uvolnily demontáží tokamaku CASTOR, zdaleka nestačí. Bude se muset postavit nová hala ať už v areálu Akademie na Mazance, nebo jinde v Praze. Nebyli by to Češi, aby byli spokojeni s tím co dostanou. Krátce po instalaci tokamaku TM 1 MH z Moskvy byl tento kompletně přestavěn a spuštěn v roce 1985 pod jménem CASTOR. K laserovému systému ASTERIX IV z Německa vyrobili v Brně terčíkové komory a rozšířili tak již tak bohaté spektrum možného využití. Také pro tokamak Compass D mají vědci z ÚFP AV ČR již dnes naplánováno výrazné vylepšení. Standardní dodatečný přísun energie tvoří u moderních tokamaků ohřev vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem a svazky energetických neutrálních částic. Britský tokamak má pouze vysokofrekvenční ohřev a tak se už pro Compass D hledá dodavatel dvou vstřícných svazků neutrálních částic. Následuje pět znaků tokamaku Compass-D, o které se bude výzkum v Praze opírat: . Geometrie vakuové komory odpovídající zařízení ITER a přítomnost divertoru . Možnost činnosti s H - modem (režim vysokého udržení energie plazmatu) . Systém dodatečného ohřevu svazky neutrálních částic (NBI) . Systém dodatečného ohřevu resp. bezindukčního vlečení proudu v plazmatu pomocí vysokofrekvenčních elektromagnetických vln na dolně hybridní frekvenci (kombinace charakteristických frekvencí plazmatu) . Jedinečná sestava sedlových magnetických cívek pro buzení rezonančních poruch udržujícího magnetického pole. Plánovaný výzkumný program pro Compass D vychází ze zkušeností získaných na stávajícím tokamaku CASTOR. Nový tokamak poskytne nové možnosti při studiu okrajového plazmatu včetně technologického výzkumu vzájemného působení plazmatu a stěny reaktoru či interakce vysokofrekvenčních elektromagnetických vln s plazmatem. Výzkumné práce jsou plánovány ve spolupráci s ostatními asociacemi k EURATOM - až na výjimky provozovateli tokamaků vesměs větších než Compass D. Fyzika plazmatu je tak složitá, že v současné době neexistuje teorie, která by poskytla parametry plazmatu na základě znalostí parametrů reaktoru či opačně. Potřebné odhady se získají pomocí tak zvaných podobnostních vztahů odvozených na základě obsahu objemných databank naplněných empirickými daty z podobných nicméně různě velikých tokamaků. Takovou skupinu podobných tokamaků tvoří mezinárodní ITER, evropský JET, japonský JT-60U, americký DIII-D, německý ASDEX U a . česko-britský Compass - D. Jinými slovy každý údaj, který Praha získá na tokamaku Compass-D může přispět k předpovědi chování plazmatu v plánovaném mezinárodním zařízení ITER. Vysoká operační přizpůsobivost na straně jedné a relativně nízké náklady na činnost tokamaku Compass D na straně druhé, spolu s geometrií relevantní k ITER, vytvářejí z tokamaku Compass D ideální prostředek pro výuku studentů v tokamakové fyzice a technice. ÚFP tak zužitkuje na podstatně vyšší úrovni pedagogické zkušenosti nabyté při letních školách experimentální tokamakové fyziky, které od roku 2003 pořádá ve spolupráci s maďarskou asociací HAS na tokamaku CASTOR. Česká republika nezaspala při dělení jader atomů a zdá se, že nezaspí ani při jejich spojování! Možná stejně jako před lety jsme uměli sami postavit jako jedna z mála zemí štěpnou jadernou elektrárnu, jednou dokážeme jako jedni z mála postavit jadernou elektrárnu fúzní. MILAN ŘÍPA