Fúzní experimenty dosáhly nové milníky
V průběhu poslední doby oznámilo hned několik vědeckých pracovišť významné pokroky v oblasti experimentálních zařízení zaměřených na výzkum jaderné fúze.
Ve Velké Británii byl na podzim loňského roku úspěšně spuštěn experimentální fúzní reaktor MAST Upgrade, který provozuje Culham Center for Fusion Energy (CCFE), součást Úřadu pro atomovou energii Spojeného království v Oxfordshire. Je základem funkčního reaktoru pro jadernou fúzi, který se vědci snaží realizovat po celá desetiletí, kdy se jádra dvou nebo více lehčích prvků spojují do těžšího jádra a uvolňují energii.
Tento jev, který je opakem jaderné štěpné reakce, se odehrává ve Slunci a vědci se nyní snaží dosáhnout a udržet stejnou reakci na Zemi s cílem otevřít cestu ke zdroji čisté, téměř neomezené nízkouhlíkové energie. Fúzní reaktor vyžaduje systém umožňující využít reakce probíhající v plazmě a jedním z konceptů jsou tokamaky – kruhová zařízení, která používají magnetická pole k zadržení plazmy vytvořené fúzní reakcí.
Nové možnosti modernizovaného designu
Původní zařízení MAST (Mega Amp Spherical Tokamak) fungovalo v letech 1999 až 2013 a jeho nástupce MAST Upgrade je tak důležitým důkazem funkčnosti této koncepce. „Spuštění MAST Upgrade je významným okamžikem pro fúzní experiment a posouvá nás o krok blíže k cíli vybudovat ve Spojeném království první fúzní elektrárnu do roku 2040,“ uvedla britská ministryně vědy Amanda Solloway.
Po dlouhou dobu používaly tokamaky konfiguraci ve tvaru koblihy, ale novější zařízení, jako je MAST Upgrade, jsou založeny na pokročilejším sférickém designu, který by měl nabídnout řadu výhod, pokud jde o účinnost a výkon. Experiment má však před sebou ještě několik velkých výzev, protože fúzní reakce je velice náročné řídit a kontrolovat, vzhledem k tomu, že k nim může docházet jen při extrémně vysokých úrovních tlaku a teploty.
Mezi první a nejdůležitější patří odvod tepla – fúzní reaktory vytvářejí obrovské množství tepla, které může poškodit komponenty reaktoru. K vyřešení tohoto problému zkouší MAST Upgrade nový druh výfukového systému Super-X divertor určený ke snížení tepelného a energetického zatížení částic opouštějících plazmu. Pokud bude divertor úspěšný, může nabídnout až 10násobné snížení tepla ve srovnání s tím, co bylo možné dosud, což by mohlo stačit k tomu, aby se fúzní reaktory staly nákladově efektivní technologií.
MAST Upgrade (přestože jde o obrovský projekt, jehož stavba trvala sedm let) je jen malou částí celé skládačky. Jde v podstatě o zkušební provoz pro větší projekt, sférický tokamak pro výrobu energie (STEP), který bude první britskou prototypovou fúzní elektrárnou.
Z poznatků získaných v rámci MAST Upgrade bude profitovat i největší experiment jaderné fúze na světě: Mezinárodní experimentální reaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), který se buduje v jižní Francii. Připravuje se už léta, ale po svém dokončení bude mít dosud nejlepší šancí ukázat, že energii vyrobenou jadernou fúzí lze využít. A MAST Upgrade je velkým krokem vpřed, jak se ke fúzním zařízením nové generace, jaká představuje právě ITER, dostat.
Světový rekord drží Korejci
Na fúzních experimentech pracují i další státy, a v poslední době vykazují slibné výsledky. Jihokorejský fúzní reaktor Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) vytvořil nedávno nový světový rekord, když udržoval teploty vyšší než 100 mil. stupňů Celsia po dobu 20 s – což je dvakrát déle, než u předchozího nejlepšího výsledku.
„Jde o důležitý bod obratu v závodě o zajištění technologií pro dlouhodobý vysoce výkonný plazmový provoz, kritickou komponentu komerčního jaderného fúzního reaktoru budoucnosti,“ uvedl ředitel KSTAR Research Center Si-Woo Yoon s tím, že tamní výzkumníci si stanovili ambiciózní cíl: do pěti let chtějí dosáhnout udržení teploty 100 mil. stupňů celých 300 s.
China National Nuclear Corporation (CNNC) oznámila, že 4. prosince v loňském roce byl uveden do provozu a dosáhl svého prvního plazmového výboje Čínský fúzní reaktor HL-2M tokamak v Čcheng-tu schopný generovat plazmu nad 150 mil. stupňů Celsia. Poskytne klíčovou technickou podporu pro účast Číny v projektu ITER a v oblastech hraničního výzkumu, včetně nestability toku a magnetických jevů plazmy ultravysokých teplot. Také HL-2M, postavený společností SWIP, je upgradem předchozího čínského modelu HL-2A, jednoho ze tří experimentálních tokamaků, které jsou nyní v Číně v provozu. Další jsou Experimentální pokročilý supravodivý tokamak (EAST) ve Fyzikálním ústavu Čínské akademie věd v Hefei a J-TEXT na Huazhong University of Science and Technology (HUST).
„Doba zadržení energie u mezinárodních tokamakových zařízení je kratší než jedna sekunda. Doba trvání spouštěcího výboje HL-2M je přibližně 10 sekund, přičemž doba zadržení energie je několik stovek milisekund,“ řekl Yang Qingwei, hlavní inženýr HL-2M společnosti SWIP.
Čína, která zahájila výzkum jaderné fúze v 60. letech, už nyní pracuje na vysoce pokročilých zařízeních, jaké reprezentuje např. výzkumný reaktor China Fusion Engineering Testing Reactor (CFETR), jehož koncepční návrh byl dokončen v roce 2015 a inženýrský design zahájen o dva roky později. CFETR je určen pro provoz v ustáleném stavu a také pro tritiovou soběstačnost. V první fázi by měl mít fúzní výkon 200 MW, ve druhé až 1 GW. Jeho cílem je překlenout fúzní experimenty mezi projekty ITER a DEMO (jaderná fúzní elektrárna navrhovaná na základě poznatků z ITERu a krok k „první komerční elektrárně svého druhu“, pro níž by měl poskytnout validaci právě CFETR).
179
