Největší české „umělé slunce“ jsme koupili z Velké Británie za jednu libru. Jde o zařízení známé jako COMPASS, které od roku 2008 stojí v hale Ústavu fyziky plazmatu (ÚFP) Akademie věd ČR v Praze 8. Označuje se jako tokamak, tedy typ magnetické „pasti“ na rozžhavený plyn, ve které se napodobuje proces, kterým vyrábí Slunce svou energie.
Českým fyzikům to ovšem teď nestačí a míří ještě výše: místo zařízení z druhé ruky chtějí něco, co v současné době nikde na světě nestojí. Za symbolický peníz z Británie zakoupené zařízení tak čeká velká přestavba – a některé jeho části zřejmě další stěhování a třetí život ve třetí zemi.
Abychom si vysvětlili, jak si čeští fyzici představují budoucnost, musíme se vrátit pár desítek let do minulosti.
Někde to utíká
Experimentální tokamaky typu COMPASS fungují tak trochu jako velká magnetická termoska. V jejich komoře je pomocí velmi silného magnetického pole udržováno plazma, zjednodušeně řečeno plyn ohřátý na teplotu řádově desítky milionů stupňů Celsia (či Kelviny, to je při těchto teplotách v podstatě jedno).
Při takto vysoké teplotě se z obalu atomu „odtrhnou“ elektrony a plyn se tedy „rozloží“ na soubor elektronů (se záporným nábojem) a kladně nabitých jader atomů. Toto tzv. čtvrté skupenství hmoty se nazývá plazma a představuje nejrozšířenější skupenství ve vesmíru, protože jsou z něj tvořeny např. hvězdy včetně Slunce.
Jádra atomů v plazmatu se díky stejnému náboji navzájem odpuzují. Nicméně pokud jim udělíme dostatečně velkou energii, resp. vzájemnou rychlost (tj. zahřejeme plazma na dostatečně velkou teplotu), mohou tuto vzájemně působící odpudivou sílu překonat a velmi, velmi těsně se k sobě přiblížit. Až na tak malou vzdálenost, že převáží přitažlivá jaderná síla a dojde k jejich sloučení v jádro těžší. Při této tzv. fúzní reakci lehkých atomových jader dojte také k uvolnění velkého množství energie. Tato reakce představuje zdroj energie pro hvězdy ve vesmíru včetně Slunce.
Nápodoba procesů ve hvězdách, tedy výroba energie jadernou fúzí, má velký potenciál a plazmoví fyzici na něm pracují již od 50. letech minulého století. V té době byla fyzika plazmatu zcela novým oborem a pravděpodobně z fyzikální naivity se předpokládalo, že vyvinout takový zdroj bude otázkou několika málo desítek let.
Nechtěl by to mít v garáži každý? Plazma ve fuzoru stojícím ve sklepě domu rodičů Williama Jacka, středoškoláka z USA, který si doma postavil fúzní zařízení. Krásný záběr zachycuje jeho první zařízení, které mělo velmi malý výkon a nepotřebovalo ani stínění. Velmi zjednodušeně řečeno šlo o jakousi past na tvorbu plazmatu než skutečně fúzní reaktor. Výkon jeho tvůrce to ale nesnižuje. Navíc od té doby upgradoval.
Ovšem v 60. a 70. letech, kdy vznikly větší a výkonnější tokamaky, se ukázalo, že se bude jednat o složitější problém, než se původně předpokládalo. „Zásadní problém spočíval v tom, že fyzikové v raných dobách studia vysokoteplotního plazmatu věděli poměrně málo o jeho chování, především o difúzi a transportu částic a energie v plazmatu,“ říká ředitel Ústavu fyziky plazmatu Radomír Pánek. Jinak řečeno, netušili, že čím se budou snažit dosahovat vyšších parametrů plazmatu v tokamaku, tím víc se tomu bude plazma „bránit“.
Tehdejší modely předpokládaly, že energetické ztráty z plazmatu izolovaného v ve vakuové nádobě pomocí silného magnetického pole budou velmi malé. Mělo se za to, že energie bude „utíkat“ pouze díky srážkám jednotlivých částic a jejich postupné difúzi (posunem) napříč magnetickým polem směrem k okraji plazmatu.
Experimenty ovšem ukázaly, že zvyšování teploty plazmatu pomocí dodávání energie „z venku“ je jen málo účinné: přesněji řečeno vede k vyšší intenzitě turbulence a tím k rychlejšímu úniku energie z plazmatu. Tento proces následně znemožňoval plazma účinně zahřát na tzv. zápalnou teplotu a tím spustit termonukleární reakci. Mohl za to zcela nový typ difúze, který dostal název „anomální“. Druhá polovina 70. let a počátek 80. let se proto nesly ve znamení frustrace vědců. I přesto, že v té době byla zahájena stavba dvou velkých tokamaků – TFTR v USA a JET ve Velké Británii –, praktické nasazení se zdálo být velmi daleko.
Čím se topí?Dosažení podmínek vhodných pro uskutečnění fúzní reakce s kladným výtěžkem energie v pozemských podmínkách je velmi obtížně. Nejjednodušší je z našeho pohledu slučování dvou jader atomových „variant“ (tj. izotopů) vodíku: deuteria a tritia. Právě ty by měly být palivem pro první generaci budoucích fúzních elektráren. Deuterium se vyskytuje ve vodě a je poměrně lehce získatelné. Tritium se volně v přírodě nevyskytuje, nicméně lze jej vyrábět z lithia, ideálně přímo uvnitř reaktoru. Vzhledem k extrémní účinnosti této reakce máme zásoby tohoto paliva na tisíce roků. Produktem této reakce je atom helia a neutron nesoucí větší část energie, tudíž neprodukuje radioaktivní odpad. Fúzní reakce v budoucím reaktoru na principu tokamaku bude probíhat podobně jako hoření paliva v kamnech. Tudíž by mělo jít o zdroj bezpečný, protože reakce půjde kdykoliv přerušit a nemůže dojít k nekontrolované řetězové reakci. |
Problém ztrát se ovšem poměrně nečekaně vyřešil v roce 1982. Tehdy se německému fyzikovi Fritzi Wagnerovi a jeho kolegům začalo totiž plazma v jejich tokamaku ASDEX při experimentech chovat jinak, než očekávali. „Pod rukama“ jim plazma nečekaně přešlo do stavu, kdy došlo náhle k výraznému navýšení jeho teploty a hustoty v centru. „Vůbec jsme to nečekali, prostě se to stalo,“ vzpomínal Wagner o desetiletí později na objev, který obor posunul o míle vpřed.
Ukázalo se, že v novém režimu udržení plazmatu, který byl nazván H-mód (High confinement mode), se energetické ztráty výrazně snížily. Se stejným zařízením pak bylo náhle možné dosáhnout v podstatě dvojnásobné teploty v centru plazmatu. Jak se později ukázalo, příčinou je samovolné roztočení plazmatu poblíž jeho okraje. Tím se „roztrhá“ turbulence na okraji plazmatu a to se celé lépe „zaizoluje“.
Schéma tokamaku. Hlavními částmi tokamaku jsou prstencová vakuová komora umístěná jako sekundární závit transformátoru a cívky magnetického pole. Transformátorem indukovaný elektrický proud v plazmatu vytváří spolu s magnetickými cívkami magnetické pole bránící kontaktu plazmatu se stěnou nádoby a současně plazma ohřívá.
Wagner si nejprve myslel, že tak dobrý výsledek musí být chyba. Když na žádnou nepřišel a jel své výsledky představit na první konferenci, nevěřili tomu zase jeho kolegové. Po jeho prezentaci ho „grilovali“ celé hodiny. Wagner byl v tu chvíli v těžkém postavení, protože v té době ještě ani nevěděl, jak vlastně H-módu dosáhl a co udělat, aby ho dosáhl znovu.
Ale postupně s kolegy nalezli „recept“ a H-mód se podařilo postupně generovat i v dalších tokamacích. Do oboru to vdechlo nový život a naději. Ukázalo se, že bude možné postavit a provozovat fúzní reaktor s požadovaným energetickým ziskem o přijatelné velikosti, a tím pádem i s přijatelnou cenou. V 80. letech tak byla podepsána mezi tehdejším SSSR, Francií a USA dohoda o přípravě projektu velkého mezinárodního tokamaku ITER, na kterém měli fyzici své tvrzení o „ziskové fúzi“ poprvé předvést v praxi (více o něm v našem rozhovoru s R. Pánkem).
Všechno dobré je v něčem zlé
Novinka měla i své stinné stránky. H-mód umožňuje dosahování výrazně vyšších parametrů plazmatu, nicméně je doprovázen novým typem nestability. Ta se vyznačuje periodickými „výtrysky“ plazmatu napříč magnetickým polem směrem ke stěně vakuové nádoby. Tyto výtrysky (podle anglické zkratky jim i čeští fyzici říkají ELMy) pro malá experimentální zařízení nepředstavují problém, protože nesou relativně málo energie a nepoškozují tudíž stěnu vakuové komory. Ovšem ve velkých fúzních reaktorech – včetně předpokládaných fúzních elektráren – budou představovat vážný problém, protože díky výrazně vyšší energii mohou stěnu poškodit. To by znamenalo opravu spojenou s odstávkou a faktický konec snů o praktickém nasazení fúzního zdroje energie.
Proto v posledních patnácti letech fyzikové z celého světa intenzivně hledali způsob, jak tyto nestability potlačit a zároveň plazma udržet v režimu H-módu. Postupně se podařilo najít několik způsobů, jak tohoto dosáhnout. Několik z nich je už zahrnuto do projektu tokamaku ITER. Zdá se ovšem, že by mohl existovat jeden relativně „elegantní“ způsob řešení problémů, který by stál za vyzkoušení – pokud bude kde.
Vakuová komora tokamaku COMPASS
Výsledky získané zhruba před deseti lety na tokamaku Alcator C-Mod, který pracoval na půdě slavné americké technické univerzity MIT, ukazují, že řešením by mohly být velmi silné magnety. Alcator byl jako jediné zařízení svého typu schopen generovat velmi vysoké magnetické pole až 8 tesel (8 T) a ukázal, že při využití magnetického pole o minimální velikosti kolem cca 5 T se plazma začíná chovat pro nás velmi příhodně: ztrácí málo energie jako v H-módu, ovšem bez těch nepříjemných nestabilit (ELMů).
Je to zcela zásadní výsledek, protože „ověřovací“ reaktor ITER, který má ukázat, že fúzi je možné ovládnout, má pracovat s magnetickým polem trochu vyšším než 5 T. Výhod magnetického pole by tedy měl být schopen využít – pokud o nich ovšem budeme vědět dost.
Alcator C-Mod totiž musel v roce 2016 ukončit provoz kvůli rozpočtovým škrtům. Jiný tokamak schopný dosáhnout podobných magnetických polí a s vhodnou geometrií plazmatu na světě dnes není. Většina v současné době provozovaných tokamaků pracuje s magnetickými poli o maximální velikosti do tří tesel, a to včetně nových supermoderních tokamaků v Číně či Jižní Koreji se supravodivými cívkami.
ITER sice bude mít dostatečné parametry, ale na podobné experimenty není úplně nejvhodnější, a to nejen proto, že do jeho spuštění ještě několik let chybí (má začít fungovat v roce 2025). Půjde o velký reaktor, jehož čas bude drahý, navíc má celou řadu dalších úkolů. S koncem amerického Alcatoru tedy celosvětově chybí menší a pružné experimentální zařízení, které by umožnilo experimenty s využitím silných magnetických polí nad pět tesel.
Ale co dnes není, má brzy stát právě v Kobylisích.
Relativní nováček
Že by mezeru v experimentálních sestavách mělo zaplnit právě Česko, je relativně překvapivé. V oboru jaderné fúze jsme v minulosti nebyli na evropské, natož světové špičce, byť fúzní výzkum v České republice má již více než 50letou tradici.
Do roku 1989 se výzkum u nás soustředil především na spolupráci se SSSR. Od konce 80. let SSSR začal poněkud ztrácet dech a hlavní roli začala hrát západní Evropa. Ovšem kontakt našich vědců se Západem se v podstatě rozběhl ve větším rozsahu až v roce 1999, kdy jsme se stali součástí evropského sdružení EURATOM. „To pro nás znamenalo velký skok už jen proto, že jsme díky tomu získali prostředky na vysílání našich pracovníků na stáže do zahraničí,“ říká Radomír Pánek.
Spouštění tokamaku TM-1-VČ v ÚFP ČSAV v roce 1977
Druhým klíčovým zlomem pro český fúzní výzkum pak byl již zmíněný příchod COMPASSu a jeho zprovoznění v roce 2008. „Pracovali jsme tehdy s velmi malým týmem, který dokázal tokamak nejen uvést do provozu v rekordním čase, ale pak na něm především po roce 2012 provést celou řadu klíčových výsledků, které ovlivnily návrh ITERu,“ říká Radomír Pánek.
Ambice českých fúzních fyziků s úspěchy rostly. Tým se postupně rozšiřoval, na pražském ČVUT se podařilo otevřít i studijní obor věnující se jaderné fúzi. Svou roli v tom sehrál i fakt, že Česko mohlo dosáhnout na strukturální fondy EU, které umožní i ve vědě budovat zařízení, na které by český vědní rozpočet nestačil.
Díky tomu všemu vědci z Ústavu fyziky plazmatu dokázali přesvědčit významnou část evropské odborné veřejnosti, že zvládnout postavit tokamak se silnými magnetickými poli, který světu chyběl.
Nový směr pro COMPASS
Vyžádá si to samozřejmě zásadní změny. V původním COMPASSu je možné generovat magnetická pole o velikosti do 2 tesel. Zvýšit jej není z mnoha konstrukčních důvodů možné, takže nový projekt si vyžádá změnu i té nejniternější části zařízení: vakuové komory, ve které je drženo plazma, i magnetických cívek, které ho v ní mají udržet.
Fúzní reaktor tokamak COMPASS Ústavu fyziky plazmatu AV ČR
Projekt, který i tak dostal název COMPASS Upgrade, se rozběhl v roce 2017 a měl by být dokončen zhruba v polovině roku 2023. Měl by vyjít zhruba na 800 milionů korun – za ty peníze by mělo vzniknout zhruba 300tunové unikátní experimentální zařízení typu tokamak i systémy nezbytné k jeho provozu (napájení, vakuový a kryogenní systém, řada nových diagnostik atd.). Počítá se s využitím co největší části stávajících provozních zařízení COMPASSu, případně s jejich upgradem (měřicích přístrojů, části energetických systémů atp.), ale to lze jen do určité míry.
Samotný současný tokamak COMPASS, který tedy bude muset uvolnit místo v experimentální hale novému tokamaku, díky tomu možná dostane „třetí život“, protože o něj projevily zájem v rámci společného projektu Španělsko a Portugalsko. Podle Radomíra Pánka je to jasný doklad toho, jak se český výzkum fúze hlavně v posledním desetiletích vyšvihl: „Obě ty země byly ještě nedávno výrazně před námi a nyní jim předáváme naše současné vybavení a my jsme si schopni zkonstruovat nové, umožňující provádět výzkum na úrovni světové špičky.“
Nový COMPASS-U je navržený tak, aby se minimalizovalo riziko nějakých prodlev či problémů, ale o běžné průmyslové zařízení rozhodně nejde. Například magnetické cívky schopné generovat velmi vysoké magnetické pole budou vyráběny ze speciálního typu mědi. Cívky se budou během provozu chladit na teplotu kolem -180 °C, čímž dojde až k desetinásobnému snížení jejich elektrického odporu. Což je klíčové, protože jimi bude protékat elektrický proud až 200 000 ampérů (A). Napájení reaktoru zajistí několik rázových generátorů, které budou schopné dodávat výkon až 250 MW po dobu několika sekund.
Plánovaná podoba tokamaku COMPASS-U na ilustraci. Samotná vakuová komora i magnetické cívky jsou pod ochranným obalem (tzv. kryostatem), který je na snímku průsvitný. Otvory v něm jsou určeny především pro měřící přístroje, které mají přesně sledovat, co se děje v komoře. Během zhruba deseti vteřin nasbírají přístroje desítky tisíc nejrůznějších údajů o dění v plazmatu i ostatních částech tokamaku.
Stejně tak vakuová komora, v které bude „levitovat“ plazma, bude vyrobena ze speciálního typu nerezové oceli, která neztrácí svou pevnost ani při vysokých teplotách cca 500 °C. Stěna bude v některých místech až čtyři centimetry silná, aby byla schopna bez problémů snést namáhání způsobené velkými elektromagnetickými silami, které by slabší konstrukci mohly vážně poškodit.
Řešit se muselo i tepelné namáhání konstrukce, respektive některých dílů. Jen pár centimetrů od sebe budou měděné cívky chlazené na -180 °C a pak vakuová komora obsahující plazma, která bude zahřátá na teplotu 500 °C. „Tohle je doslova konstruktérský oříšek, protože obojí musí mít prostor měnit rozměry při změně teploty, ale zároveň se musí udržet v přesném vzájemném postavení, aby si magnetické pole udrželo přesný tvar a plazma tedy drželo, jak má,“ říká Radomír Pánek.
Co bude nového
Nový v Česku stojící tokamak má mířit k budoucnosti. Jeho hlavní výzkumné úkoly nejsou spojeny ani tak s provozem reaktoru ITER, ale především až po něm následujícím evropském prototypu fúzní elektrárny, který nese název DEMO.
I proto se zaměří (mimo jiné) na řešení problému „unikajícího tepla“, tedy odvodu tepla z plazmatu. Jak jsme již zmiňovali, magnetická past v tokamacích není a nikdy nebude dokonalá a částice, které se z ní uniknou, se musí z vakuové komory tokamaku odvádět. K tomu slouží otvor, nejčastěji umístěný na spodní části komory, známý jako divertor.
Divertor se snadno může teplem zničit. Předpokládá se, že u elektráren budou materiály divertoru muset dlouhodobě snést tepelnou zátěž podobnou té, které by čelily na samotném povrchu Slunce. Což by i u těch nejodolnějších materiálů vedlo k jejich rychlé destrukci. Týká se to jen velmi malé plochy, ale pokud se v tomto místě povrch zničí, další škody jsou nevyhnutelné. Proto se vyvíjejí metody, jak tento problém vyřešit.
Wolfram s krystaly křemene a pyritu. Nalezeno v Peru, dnes v mineralogickém muzeu v německém Bonnu.
ITER i COMPASS-U budou používat na nejvíce namáhaná místa v divertoru wolfram, a to buď čistý, nebo v podobě oceli potažené vrstvou wolframu. Wolfram je pevný, odolný a velmi těžko opracovatelný kov s teplotou tání 3 400 °C.
Ale ani to by u větších reaktorů nestačilo. Jeden trik je dopadající proud částic z plazmatu (a tedy i energii) rozptýlit na větší plochu. Fyzikové před povrch divertoru v daném místě „fouknou“ plazmatu do cesty trochu inertního plynu, který většinu energie pohltí a následně vyzáří na podstatně větší plochu. Stěna divertoru se pak sice zahřeje na větší ploše, ale na podstatně nižší hodnoty, čímž je zařízení chráněno.
I přes tento účinný „trik“ se nepovažuje otázka opotřebení stěny divertoru za zcela vyřešený problém. A tak se hledají další netradiční a inovativní přístupy. Jednou ze slibných metod, kterou má ve velkém rozsahu právě jako jediný na světě testovat COMPASS-U, je využití technologie tzv. tekutých kovů, především lithia, cínu a jejich slitin.
V tomto případě nebude povrch divertoru tvořen pevným wolframem, nýbrž velmi porézní wolframovou „houbou“, která do sebe bude z jedné strany „nasávat“ tekutý kov. Ten bude díky kapilárním silám vzlínat, až na povrchu „houby“ vytvoří tenkou vrstvu. Plasma dopadající na tento povrch bude vrstvu postupně odpařovat, ovšem na místo odpařeného kovu rychle přiteče jiný.
Tento výzkum probíhá v současné době především v zahraničí, zejména v Rusku či v USA, nicméně v celém světě neexistuje experimentální zařízení, v kterém by bylo možné tuto technologii zkoumat za podmínek podobných těm v budoucích reaktorech. Postup se ověřoval v malém na současném COMPASSu v roce 2019, ale plazma v něm nenese tolik energie. Nový COMPASS-U by měl být prvním zařízením, které umožní tento výzkum za podmínek relevantních pro provoz případných elektráren. Získá tak oficiální status evropského testovacího zařízení pro vývoj této technologie, což zase minimálně zjednoduší přístup k financím na provoz a experimenty.
Pohled do komory tokamaku COMPASS „za chodu“, tedy s rozžhaveným plazmatem.
Ovšem to je otázka poněkud vzdálenější budoucnosti. Experimentální zařízení pro zkoušky povrchu z tekutého kovu nebude součástí nového tokamaku od začátku, ale bude do něj zařazeno až po plném zprovoznění, zřejmě po roce 2025.
Pokud se povrchy z tekutého kovu osvědčí, nemusí se nutně omezovat jen na využití ve fúzních elektrárnách. „Možné využití této technologie se podobně jako v řadě dalších oblastí týkajících se vývoje fúzní elektrárny neomezuje zdaleka jen na tokamaky, své uplatnění může tato technologie najít především v oblasti práce v extrémním prostředí,“ odhaduje Radomír Pánek.
I americké peníze
Vzhledem k vlastnostem tokamaku COMPASS-U projevili zájem o jeho budoucí využití vědci z celého světa. Pražský tokamak se s největší pravděpodobností stane tzv. konsorciálním zařízením největšího evropského vědeckého konsorcia laboratoří EUROfusion, které se bude podílet na hrazení části provozních nákladů zařízení výměnou za experimentální čas pro evropské vědce.
Česku se také podařilo zaujmout odborníky ze Spojených států a na podzim 2019 byla podepsána smlouva o spolupráci mezi americkým ministerstvem energetiky a Ústavem fyziky plazmatu ve fúzním výzkumu. Americké ministerstvo tak již nyní financuje špičkové odborníky z amerických národních laboratoří, především z Princeton Plasma Physics Laboratory, kteří spolupracují na výpočtech a návrhu některých částí COMPASS-U výměnou za možnost provádění experimentů na budoucím zařízení. V současné době podle Pánka probíhají diskuse o dalších možných příspěvcích americké strany.
V našich podmínkách by šlo o velmi vzácný příklad, kdy zahraniční instituce budou platit za přístup k českým vědeckým zařízením.
Historie COMPASSuPůvodně britský, dnes český a v budoucnosti snad španělsko-portugalský tokamak COMPASS byl uveden do provozu v laboratoři v anglickém Culhamu počátkem 90. let. Tam fungoval až do začátku 21. století. Britové se ovšem v 90. letech rozhodli experimentovat na trochu odlišném typu zařízení, tzv. sférickém tokamaku, a proto si vybudovali nové zařízení – tokamak MAST. Z původního plánu provozovat oba tokamaky současně z finančních důvodů sešlo, a tak se Britové rozhodli provozovat pouze novější MAST. Protože vědecký potenciál COMPASSu nebyl ještě zdaleka vyčerpán, nabídli ho k „adopci“ laboratořím v rámci evropského sdružení EURATOM. Čeští vědci zareagovali a připravili projekt, na jehož základě se britský tokamak během roku 2007 přestěhoval do Česka. Vše nakonec vyšlo samozřejmě na více než jednu libru: kvůli „ubytování“ zařízení musela vzniknout nová speciální hala a bylo nutné vyvinout a pořídit celou řadu nových systémů pro napájení tokamaku, jeho řízení, diagnostické vybavení atd. za celkem zhruba 300 milionů korun. „Nicméně realizace projektu COMPASS měla klíčový vliv na intenzivní rozvoj tohoto výzkumu v České republice v posledních 10 letech a posunula ČR minimálně na evropskou špičku výzkumu fúze,“ říká Radomír Pánek. |
