Supravodivý tokamak dobyl Asii

Magnetické pole hraje v současných nejúspěšnějších termojaderných zařízeních - tokamacích - zásadní roli. Konečně tokamaky jsou vedle stelarátorů protagonisty směru s příznačným názvem "magnetické udržení". Magnetické pole se v tomto případě vytváří průchodem elektrického proudu vodivými závity cívky nebo plazmatem ve výbojové komoře. K zapálení výboje používají tokamaky magnetické pole centrální cívky. K izolaci horkého plazmatu od stěn výbojové komory slouží magnetické pole cívek navinutých na komoru tvaru preclíku spolu s magnetickým polem elektrického proudu v plazmatu. Pak zbývají jen magnetické polohovací cívky, jejichž osa je shodná s hlavní osou výbojové komory. Většina experimentů s magnetickým udržením používá měděné cívky chlazené vodou. Jakmile bychom se s tímto uspořádáním přiblížili rozměrům zařízení ITER, velkou část vyrobené elektřiny by spotřebovaly měděné cívky a čistý výtěžek elektrárny by se snížil. Řešením jsou supravodivé cívky vyrobené ze speciálních materiálů, které při ochlazení na velmi nízké teploty přestávají klást elektrickému proudu jakýkoli odpor. Jakmile je jednou ve vinutí supravodivého magnetu vybuzen elektrický proud, magnet funguje nepřetržitě a elektrická energie je třeba pouze k pohonu chladicího systému, který udržuje požadovanou velmi nízkou teplotu cívek. Pokud se jednou budou používat vysokoteplotní supravodiče, pak klesne i tento příkon. Supravodivé cívky magnetických polí umožňují také dlouhotrvající výboje, bez nebezpečí tepelné destrukce cívek. Měděné cívky by se dlouhodobým průchodem elektrického proudu zahřály tak, že by se zničily. ITER použije pro supravodivé cívky slitinu Nb3Sn. V tuto chvíli je dobré si uvědomit, že tzv. supravodivý tokamak má cívky magnetického pole vychlazené na teplotu blízkou absolutní nule, to je 4 K a ve výbojové komoře je teplota plazmatu stovky milionů stupňů K. Ten úžasný nárůst teploty na vzdálenosti přibližně 2 m, je téměř nepochopitelný. Název supravodivý tokamak zdaleka neznamená, že všechna vinutí tří soustav magnetických cívek jsou supravodivá. První supravodivé tokamaky měly supravodivé pouze cívky torodiálního pole. Vůbec prvním tokamakem, který supravodič zařadil do své výbavy, byl ruský T-7 v kolébce tokamaků v Kurčatově ústavu atomové energie v Moskvě. Zajímavé bylo, že se na provozu této technické novinky významnou měrou podílelo i bývalé Československo. V roce 1982 vlnovodová aparatura vyvinutá a vyrobená v Ústavu fyziky plazmatu ČSAV generovala v plazmatu tohoto tokamaku proud 200 kA, což byl tehdy světový rekord. Mimochodem, další účast naší techniky zaznamenal největší ruský tokamak T-10, který byl uvedený do provozu v roce 1979 a který stále funguje. Tokamak T-10 supravodivý není, ale shodou okolností se účast Československa kryogenní techniky týkala. Funkční tokamak T-10 znamená, že i špičkové vybavení dovezené z Československa je dosud rovněž provozuschopné. Pro společné experimenty na tomto tokamaku bylo z tehdejšího Československa dodáno v 80. letech přes 30 unikátních heliových kryostatů (Ferox Děčín) pro supravodivé magnety ruských vysokofrekvenčních generátorů (gyrotronů), přičemž samotné supravodivé magnety byly vyrobeny (z ruského vodiče) v BEZ Bratislava a naladěny v Elektrotechnickém ústavu SAV tamtéž. Supravodivý měl být i další ruský tokamak T-15, ale z technických a hlavně finančních důvodů nebyl nikdy uveden do provozu. Významnými výsledky do světové fúzní databanky přispěl francouzský supravodivý tokamak Tore Supra, fungující v Centru pro jadernou energii Cadarache. Při elektrickém proudu plazmatem 500 kA dosáhl doby trvání pulzu 6:30 minuty. Ano, máte pravdu, v tom Cadarache, kde se dělá vše proto, aby příští rok byla zahájena stavba mezinárodního tokamaku - prakticky prototypu reaktoru pro termojadernou elektrárnu - tokamaku ITER. ITER bude pochopitelně plně supravodivý a bude největším tokamakem na světě. Ovšem kdo bude sbírat zkušenosti o plně supravodivém tokamaku do doby, než se v ITER rozzáří první plazma, to je do roku 2016? Pro někoho to budou překvapivě čínští vědci, kteří právě úspěšně dokončili vakuové a chladicí zkoušky v současné době jediného celosupravodivého tokamaku na světě. Experimental Advanced Superconducting Tokamak neboli EAST (Východ) má zažehnout první plazma v srpnu, či raději ještě dříve - v červenci. Plazma by mělo časem dosáhnout teploty 50 až 100 mil. stupňů a mělo by trvat 1000 s. Kdo trochu sleduje "fúzní" dění, musel zaregistrovat, že ze sedmi ministrů, kteří 24. května 2006 v Bruselu zahájili proces schválování dohody o stavbě a provozu ITER, byli čtyři z Asie - Japonsko, Indie, Jižní Korea a ...Čína. Japonsko svůj ambiciózní fúzní program plní již dlouho - vzpomeňme tokamak JT-60U patřící spolu s JET k největším tokamakům na světě, ale i menšího, za to supravodivého tokamaku TRIAM 1-M, který se pyšní nejsilnějším magnetickým polem 8 T a neuvěřitelně dlouhou dobou trvání výboje - přes 5 h při proudu 16 kA. Japonsko bylo prakticky do roku 2005 žhavým kandidátem stavby ITER a dnes jako kompenzaci za odstoupení od kandidatury ve prospěch evropského Cadarache uvažuje o přestavbě gigantu JT-60U za společné peníze konsorcia ITER na supravodivé zařízení. Plně supravodivý má být i korejský Korean Superconducting Tokamak Reactor (KSTAR), který společně s USA staví za 330 milionů USD Jižní Korea. Podobně Indie staví sice menší (45 milionů USD), ale opět celosupravodivý Steady State Superconducting Tokamak. Vraťme se ale k Číně. Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences byl založen v milionovém městu Hefei v roce 1978 a hned se zpočátku věnoval tokamakovému programu. Nejprve byl malý tokamak CT-6, pak rychle za sebou tokamaky HT-6B a HT-6M. V roce 1990 zahájil tokamak HT- 7 supravodivou etapu. HT-7 byl přestavěný ruský T-7. Mimochodem, supravodivý tokamak T-7 byl koncem 80. let nabídnut Praze. Ta však rozumně usoudila, že to je příliš velké sousto a nabídku s díky odmítka. Čínští fúzní vědci usoudili, že jejich zkušenosti budou stačit na světovou prioritu a v létě 2000 zahájili stavbu zcela nového celosupravodivého tokamaku EAST. Zajímavé je, že Čína označuje tokamak EAST jako tokamak HT- 7U, což se běžně čte jako HT-7 upgrade. Jinými slovy, EAST by měl být modernizovaný HT-7. Ovšem rozměry vakuové komory mají tokamaky HT-7 a EAST odlišné. Velký, respektive malý poloměr tokamaku HT-7 je 1,22, resp. 0,35 m, zatímco EAST se pyšní rozměry 1,7 a 0,4 m. Zdá se že čínští vědci chápou "upgrade" v duchovním smyslu slova. Tedy tokamak EAST je ideovým pokračováním tokamaku HT-7. Stavba si vyžádala pouhých 37 mil. USD, a tak byla nesrovnatelně lacinější než by se stavělo například v USA - jedná se o 1/12 až 1/15. Konečně zástupce ředitele Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) Richard Hawryluk prohlásil: "Co dokázali naši čínští kolegové v rámci svého finančního limitu, svědčí o jejich vůli a schopnostech!" Věděl o čem mluví. PPPL plánovaly také celosupravodivý tokamak, ovšem 750 milionům USD řekl Kongres ne! Stavba EAST se stala z finančních důvodů ryze čínskou záležitostí a zejména výroba kryogenní techniky včetně supravodivých cívek byla pro Čínu odvážným krokem do neznáma. Dnes je tým EAST přesvědčen, že to hlavní zvládl - vychladit 200 t cívek na operační teplotu 4,5 K. Mimochodem, Čína je jednou ze čtyř zemí, které vlastní supravodivé termojaderné zařízení: Francie, Japonsko a Rusko. Supravodivé cívky nepoužívají jen tokamaky, ale například Japonsko má supravodivý stelarátor Large Helical Device a další stelarátor se staví v Německu - Wendelstein W7-X. Stelarátor patří do skupiny termojaderných zařízení s magnetickým udržením a funguje trošinku jinak než tokamak. EAST bude mít nejméně deset let na to, aby plnil databanku údaji o dlouhožijícím plazmatu. Předpokládá se doba výboje kolem 1000 s podobně jako u ITER. Zásadní rozdíl od ITER, když pomineme rozměry, je nemožnost tokamaku EAST pracovat s hořícím plazmatem, to je plazmatem, které k udržení fúzní reakce čerpá alespoň 50 % energie z vlastní fúze. Zatímco ITER bude pracovat s "nízkozápalnou" směsí deuterium - tritium, EAST není zařízen na práci s radioaktivním tritiem a musí se spokojit s normálním vodíkem nebo deuteriem. Deuterium EAST zapalovat nebude, neboť vysoká zápalná teplota převyšuje možnosti současné technologie. Zkrátka a dobře, miliardy obyvatel Asie se nespoléhají jen na větrné či sluneční elektrárny, ale svoji budoucnost vidí zcela jednoznačně v termojaderné energii. Ing. Milan Řípa, Ústav fyziky plazmatu AV ČR Fota s laskavým svolením CEA, IPP ChAS