ITER – V polovině cesty k termojaderné energii

28 Lis

Motto: Experimentátor se musí chovat k teorii jako k roztomilé, hezké ženě: s radostí vítat všechno, s čím přijde, ale na druhou stranu jí tak úplně nedůvěřovat. (L. A. ARCIMOVIČ (1909 – 1973), světová osobnost výzkumu termojaderné fúze )

Člověčí společnost nemá až tak mnoho na výběr. Za dvě tři generace otočíte vypínačem a… nic! Tma! Na druhém konci drátů vám suše sdělí: „Uhlí právě došlo, atom nesmíme rozbíjet, není kam skladovat popel. Cože říkáte? Obnovitelné zdroje? Ale, pane, odkud jste spadl? Slunce je v Africe, vítr na Havaji, gejzíry na Islandu a my jsme v Čechách!“
Že se to nemůže stát? Že si vymýšlím? Máte pravdu. Trochu jsem přehnal. Nicméně světové zásoby fosilních paliv pomalu vysychají, štěpné atomové elektrárny jsou sice čím dál tím bezpečnější, ale… ty problémy s vysoce radioaktivním vyhořelým palivem. Takzvané obnovitelné zdroje jsou nákladné a jejich použití je lokalizované jak v čase, tak v místě a jejich výkon tepelnou ani stávající atomovou elektrárnu hned tak nenahradí. Spotřeba energie neustále roste. Je tato pochmurná situace řešitelná?

Energie plazmatu

Bezpečná, ekologická, surovinově zabezpečená je termojaderná elektrárna. Je a není. Termojaderná elektrárna elektrický proud nikde na světě do komerční sítě nedodává. Zatím. Zdá se, že lidé na cestě k tomuto cíli ušli více než polovinu cesty. Konečně jméno projektovaného Mezinárodního experimentálního termojaderného reaktoru je ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – latinsky „cesta“. Stavět by se měl začít v roce 2006. V roce 2014 proběhnou první experimenty – bude se ověřovat chování materiálů první stěny při extrémní tepelné zátěži a technologie blanketu – obálky pro výrobu tritia a odvodu tepla. Co nás asi překvapí za nestability plazmatu – média, ve kterém se termojaderná energie uvolňuje – ohřívaného nyní zejména produkty termojaderné reakce – alfa částicemi? Po 20 letech se ITER rozebere. ITER bude první termojaderný reaktor produkující výkon větší než výkon, který potřebuje ke svému životu. Dokonce desetkrát větší! Pak se postaví další zařízení zvané DEMO (demonstrační reaktor), které již bude vyrábět elektrickou energii, aniž by ji ovšem posílalo ke spotřebitelům, a koncem první poloviny tohoto století by měla stát první komerční termojaderná elektrárna. Nicméně už dnes patří ITER k světové špičce, co se týče úrovně či rozsahu vědecko-technické spolupráce.

Kus Slunce na Zemi

Termojaderná energie, termojaderná elektrárna, ale co vlastně slovo „termojaderná“ znamená? Termojaderná energie je daleko nejrozšířenější druh energie ve vesmíru – příkladem budiž nám nejbližší hvězda – slunce. Termojaderný reaktor fungující hezkou řádku let, a doufejme, že ještě nějakou dobu fungovat bude, je totiž garantem života na planetě Zemi. Ovšem stáhnout jakkoli nepatrnou část sluníčka sem k nám dolů na zem není vůbec jednoduché. Podařilo se to vojákům v roce 1952. H-bomba ovšem není pro průmyslové využití termojaderné energie vhodná. Převzít kontrolu nad slučováním jader lehkých prvků zahřátých na stamiliony stupňů (termo – jaderný) – v první etapě se počítá s izotopy vodíku: deuteriem a tritiem – se podařilo lidem až v roce 1991 po 40 letech usilovné práce. Stalo se tak v komoře největšího tokamaku (TOroidalnaja KAmera i MAgnitnyje Kaťuški) na světě fungujícího od roku 1983 v anglickém Culhamu. JET (Joint European Torus) je živoucím důkazem úspěšné integrace evropských států, které v této vědecko-technické disciplíně předhonily i suverénní všehovelmoc USA. Nás může jen těšit, že oficiálně participujeme na špičkovém zařízení a to pod hlavičkou Asociace EURATOM IPP.CR již od roku 1999. Garantem spolupráce je Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR.

Jaderná fúze po česku

Na tomto místě nemohu nevzpomenout na hit letošního podzimu – ústavu Evropské unie, ve které „soutěží“ o míru vlivu velké a malé státy. Evropskou termojadernou komunitu tvoří také velké a malé tokamaky. Jediný tokamak, o který se příští rok rozroste Evropská unie, má Praha v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Srovnávat evropský JET, francouzský TORE-SUPRA, švýcarský TCV či německý ASDEX s tokamakem CASTOR (Czech Academy of Sciences TORus) je jako přirovnávat JE Temelín k malé vodní elektrárně na potoce někde v Dolních Kotěhůlkách. A přece je CASTOR známý po celé Evropě. Už pošesté v dubnové Praze zasedal Mezinárodní poradní výbor pro Asociaci EURATOM IPP.CR, kterého se zúčastnili špičkoví evropští odborníci. Vlastně co to je ta asociace EURATOM IPP.CR? Touto asociací již v roce 1999 vstoupilo Česko do termojaderné Evropské unie! V červnu proběhl na CASTOR Letní výcvikový kurs pro studenty z Maďarska. Návštěvy význačných odborníků z celé Evropy jsou na CASTOR spíše pravidlem než výjimkou. Za všechny jmenujme profesora G. Van Oosta z belgické Ghent University či doktora Y. Peyssona z francouzské CEA Cadarache. CASTOR úzce spolupracuje se šesti špičkovými evropskými pracovišti včetně Culhamu vlastnícího největší tokamak na světě – JET. Čilý vědecký život na CASTOR funguje i přesto, že menší a starší tokamak na světě zřejmě neexistuje, ovšem na druhé straně existuje skupina nadšených odborníků, kteří bez ohledu notoricky známé hendikepy postsocialistických zemí dokážou své práci věnovat více, než musí – až se chce říci – více, než mohou. Pokud naši úředníci najdou podobný vztah ke své práci, jako mají lidé kolem CASTOR, pak se v Evropské unii nemusíme obávat ničeho, ani velkých států.

Celosvětová spolupráce

Všechny plánované úkoly na největším tokamaku na světě – JET byly splněny a dalším krokem k elektrárně je stavba třikrát většího zařízení s rozměry blížící se průmyslovému termojadernému reaktoru. Tím je právě ITER. Projektové práce, u jejichž politického zrodu stáli Michail Gorbačov, François Mitterand a později Ronald Reagan, zahájily Evropská unie, Japonsko, SSSR a USA v roce 1987. Paradoxně v roce 1998 po závěrečné zprávě Final Desing Report to byly právě Spojené státy, které od projektu odstoupily. Projekt byl jako příliš nákladný přepracován a od roku 2001 se pokračuje podle skromnější, avšak stále ambiciózní varianty. V únoru letošního roku se do projektu ITER zapojila Čína, pro kterou je energetické uspokojení vzrůstající populace otázkou života a smrti a nejen jako reakce na rozhodnutí Číny se vrátily USA. V červnu byla přijata Jižní Korea. Eminentní zájem postavit ITER na svém území má současný termojaderný lídr – Evropa. Zprvu nasadila dva koně – španělské Vandellós a francouzské Cadarache, které spolu s japonským Rokkasho-muro a kanadským Claringtonem prošly vloni úspěšně přijímacím technickým řízením, ale nyní do konce listopadu bude za Evropu v rámci posílení pozice vybrán pouze jediný kandidát. Rozhodování nebude jednoduché. Vandellós je lacinější a Cadarache má silnější odborné zázemí. Kanada má problémy s financováním – hostitelská země se bude na celkových nákladech (poslední odhad je 4570 milionů eur) podílet podstatně více než ostatní – a ani Japonsko není zcela transparentní. U politiků jsme začali, politiky skončíme. Evropě se nabízí velká šance.
Jezdit na exkurze do předstupně termojaderné elektrárny z Česka vlakem je lákavé, a tak jen můžeme doufat, že se politici spolu se špičkami světového termojaderného výzkumu do konce roku 2003 rozhodnou správně – pro EVROPU!

TOKAMAK

Je úspěšným příkladem takzvaného magnetického udržení, což je metoda, jak splnit Lawsonovo kritérium pro nulový zisk termojaderného reaktoru. Kritérium je splněno, pokud jsou ztráty zářením a únikem energetických částic plazmatu nahrazeny energii uvolněnou při termojaderné syntéze.

nt> 1021 m-3 s při teplotě 109 K pro směs deuteria a tritia – izotopů vodíku kde „n“ hustota plazmatu a „t“ doba udržení energie. Na rozdíl od inerciálního udržení pracuje magnetické udržení s řídkým plazmatem (1020m-3) a dlouhou dobou udržení (několik sekund). Udržení zajišťuje vhodná konfigurace magnetického pole, neboť nabitá částice se sice podél siločar magnetického pole pohybuje volně, ale při pohybu napříč je její dráha zakřivena a částice opisuje kružnici. Na „sousední“ siločáru poskočí pouze díky srážce s kolegyní. Tokamak patří mezi uzavřené magnetické nádoby, neboť siločáry magnetického pole vyplňují toroid. Toroidální magnetické pole tvoří vnější magnetické cívky protékané elektrickým proudem. Stabilitu plazmatu zajišťuje ale šroubovicové magnetické pole, které vznikne sečtením pole cívek, a pole elektrického proudu protékajícího plazmatem. Plazmový prstenec je vlastně jediný sekundární závit transformátoru, do jehož primárního vinutí se vybíjí kondenzátorová baterie.

Plazma se vytvoří a ohřeje elektrickým proudem, ovšem samotné Jouleovo teplo by pro dosažení zápalné teploty nestačilo. Používají se v podstatě dvě metody, jak plazma „přihřát“. Buď vstřikem rychlých neutrálních částic – neutrálních proto, aby pronikly udržujícím magnetickým polem. Energetické neutrální částice se v plazmatu ionizují a zvyšují teplotu plazmatu. Plazma lze ohřát i absorpcí elektromagnetického vlnění vhodné vlnové délky.

U zrodu tokamaku stáli na počátku padesátých let otec sovětské vodíkové bomby A. Sacharov a I. Tamm. Zajímavá je úloha seržanta Rudé armády O. A. Lavrentěva, který ze Sachalinu na konci čtyřicátých let poslal dopis nejprve I. V. Stalinovi a posléze ÚV KSSS, ve kterých kromě návrhu konstrukce suché vodíkové bomby byl i popis reaktoru pro průmyslové využití termojaderné energie. Lavrentěv ovšem hodlal vysokoteplotní plazma izolovat od stěn reaktoru elektrostatickým polem. Sacharov nad jeho dopisem nahradil elektrostatické pole polem magnetickým a tím učinil první krok k mimořádně úspěšnému zařízení, které kolem roku 1958 přijalo název tokamak. Princip tokamaku zvítězil v soutěži řady dalších magnetických nádob, jako byly americký stelarátor, magnetická zrcadla (pasti) a další.

Nikde není ovšem psáno, že první termojaderný reaktor v elektrárně bude nutně tokamak. Technika slaví další a další pokroky a může dříve méně úspěšné a nyní spící magnetické nádoby probudit. Příkladem budiž stelarátor Wendellstein W7 X, který s rozměry srovnatelnými s velkými tokamaky se staví v německém Greifswaldu. Nicméně už nic nezmění na tom, že největší termojaderné, zatím ještě experimentální, zařízení pojmenované ITER bude postaveno na principu tokamaku.

Lavrentěv se své myšlenky elektrostatické izolace vysokoteplotního plazmatu nikdy nevzdal a ve Fyziko těchničeskom institutě v Charkově postavil řadu experimentálních zařízení používajících kombinaci elektrostatického a magnetického pole – takzvané elektromagnetické nádoby, které obohatily termojaderný svět o řadu zajímavých poznatků.

O AUTOROVI

Milan Řípa, účastník soutěže Česká hlava 2003 (příspěvek s názvem Novinové a časopisecké články a další aktivity propagující termojadernou fúzi u příležitosti výběru místa pro stavbu ITER (2003) – mezinárodního experimentálního termojaderného reaktoru a 20 let od spuštění největšího tokamaku na světě – JET, se zřetelem na zapojení českých vědců do mezinárodní spolupráce v této oblasti, v kategorii „média“), obhájil po absolutoriu Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské (1971) v Ústavu fyziky plazmatu ČSAV (1980) disertační práci na téma Experimentální studium vlastností plazmatu vytvořeného elektronovým svazkem magnetronového typu. Do letošního roku se zabýval optickou diagnostikou plazmatu nejprve na experimentálním zařízení REBEX (Relativistic Electron Beam Experiment) a posléze na zařízení CAPEX (Capillary Experiment). S novinářským řemeslem se seznámil při triatlonu, o kterém psal téměř dvacet roků. Sport je jeho celoživotní láska, které se věnuje od dětských let. Nejprve lehké atletice a po těžkém úraze dokončil více než dvacet triatlonů – Ironman (Železných mužů) po celém světě. Je autorem a spoluautorem dvou knížek o triatlonu, jehož historii přednáší na Fakultě tělovýchovy a sportu v Praze. Od roku 1999 se intenzivně věnuje popularizaci vědeckých výsledků svého zaměstnavatele Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, rokem 2003 počínaje jako vedoucí referátu Vědecké informace a popularizace. V ústavu stojí za nejrůznějšími sportovními aktivitami, jako například cykloturistická Tour de Plasma. Milan Řípa je nositelem státního vyznamenání „Za statečnost“ a čestného uznání olympijského klubu Fair play, která obdržel v roce 1977 za záchranu chlapce tonoucího v únorové vodě. Je ženatý a má dva dospělé syny.

Leave a Reply