Pokud jste už něco slyšeli o jaderné fúzi, nejspíše jste také slyšeli o tokamacích. Zařízení ve tvaru děravé americké koblihy („donutu“) se už dlouhá desetiletí považuje za nejslibnější cestu k napodobení energetických procesů na Slunci v pozemských podmínkách – a tím téměř nekonečně bohatému zdroji energie. Tokamaky mají původ v Sovětském svazu a stále jsou nejpoužívanějším nástrojem pro jadernou fúzi. I přes nesporný pokrok v parametrech tokamaků se ovšem naděje na rychlé zvládnutí „energie Slunce“ už desetiletí pohybují v nejistém prostoru mezi čistokrevnou sci-fi a skutečně slibnou a reálnou technologickou možností.
Proto se stále hledají i jiné cesty k ovládnutí tohoto zdroje energie. A v některých případech se do centra pozornosti vracejí starší postupy, které fyzikům a inženýrům uzavřely dříve nepřekonatelné technické problémy. Právě o něco podobného se nyní pokouší i v německém Greifswaldu na severovýchodě země. Přístroj nazvaný Wendelstein 7-X by měl být novou „hvězdou“ mezi předtím trochu opomíjenými fúzními přístroji nazývanými stellarátory.
Je to zamotané...
Název odvozený z latinského výrazu pro hvězdu vybral pro stellarátor v 50. letech na půdě amerického Princetonu astrofyzik Lyman Spitzer. Zařízení se používalo hlavně v západních laboratořích (byť i SSSR mělo stellarátor Uragan), než se tokamak postupně vydal na svou vítěznou pouť z východu.
Obě zařízení k udržení plazmatu pracují na principu udržení plazmatu v magnetickém poli. Slučování jader totiž probíhá pouze za velmi vysokých teplot a tlaků. Na Zemi nemáme stejné možnosti jako na Slunci, máme také méně času než naše hvězda, a tak nejschůdnější možností je reakce (slučování deuteria a tricia), jejíž „zapalovací“ teplota je ještě vyšší než na Slunci, zhruba 150 milionů stupňů. Při této teplotě se z atomů odtrhují elektrony a zbývající ionty mají (čas od času) dost energie na to, aby překonaly vzájemné odpudivé síly a spojily se. V důsledku se uvolňuje značné množství energie, jak názorně ukazuje příklad Slunce a všech ostatních hvězd.
Podobně horkou látku ale žádný materiál neudrží, a tak tokamaky i stellarátory využívají k izolaci superhorkého materiálu od stěn nádoby reaktoru „silového pole“, konkrétně pole magnetického. Rozdíl je „jen“ v tom, že tokamaky si ještě pomáhají proudem protékajícím samotným plazmatem, zatímco stellarátory spoléhají pouze na magnetické pole vytvářené cívkami kolem komory s plazmatem. V obou případech má ovšem komora zhruba tvar nafouknuté pneumatiky (toroidu).
Základní konstrukční prvky reaktoru Wendelstein 7-X. Modře je vyznačeno plazma vzniklé z vodíku zavedeného do komory a ohřátého až zhruba na 100 miliard Kelvinů. Plazma je samozřejmě udržováno ve vzduchoprázdnu uvnitř komory, která probíhá mezi magnety, a pro přehlednost není zachycena. Červeně je vyznačeno 50 speciálně tvarovaných primárních magnetů, které vytvářejí magnetické pole pro udržení plazmatu. Jsou zhruba 3,5 metru vysoké, a každý je vytvořen zhruba z kilometru supravodivého vedení. Oranžové jsou pak tzv. planární magnety, kterých je na zařízení 20, umožňují jeho přesnější nastavení a řízení. Šedivě je tzv. kryostat, tedy „ochranný plášť“ celého reaktoru, umožňuje zároveň chlazení supravodičů v cívkách na teplotu blízkou absolutní nule, přesněji cca 3 K (tedy -270 °C). V průměru má zhruba 16 metrů a je vyčerpán na technické vakuum.
Koncept tokamaku může znít zbytečně složitě – proč vůbec indukovat proud v plazmatu, když se lze obejít bez toho? Ale indukovaný proud udržení ve skutečnosti velmi výrazně zjednodušuje, protože přidává do rovnice další magnetické pole. Dohromady tak vzniká pole žádoucího tvaru, které vede plazma z oblasti slabého do oblasti silného pole a opačně. Jinými slovy, nabízí se tak způsob, jak kompenzovat nerovnoměrnosti v magnetickém poli, které jinak v důsledku vedou k úniku plazmatu.
Jak to tak bývá, řešení přináší i své vlastní technické problémy (třeba jak indukovat proud v plazmatu - střídavý režim se totiž nehodí a pulzní je časově omezený). Plazma je také nepředvídatelné a hodně chaotické prostředí. Dochází tu často k přetržení proudu, tím ke ztrátě schopností udržení a v důsledku tohoto kolapsu někdy i k poškození zařízení (tzv. disrupce)
Stellarátory tyto nevýhody nemají, a tak se jim několik výzkumných týmů věnovalo i v době jinak téměř absolutní nadvlády tokamaků. Pravdou ovšem bylo, že v praxi měly vždy stellarátory v poměru s tokamaky horší výkony v udržení plazmatu. Dokázaly udržet plazma kratší dobu a s menší energií. Wendelstein 7-X chce ukázat, že rozdíl je možné smazat.
Musíme to vypočítat
U zrodu Wendelsteinu 7-X stáli fyzikové Jürgen Nührenberg a Allen Boozer. Jejich cílem bylo navrhnout od počátku magnetickou smyčku, jež překoná omezení běžné toroidální (tedy tvaru „pneumatikové“) komory. Mělo dát částicím téměř ideální dráhu, po které by běhaly samy bez pomoci dalšího magnetického pole s velmi malými ztrátami tak, aby se podařilo dosáhnout požadovaných teplot a dodržet je na dostatečně dlouhou dobu. Zařízení by tak mělo být schopné nepřetržitě pracovat dlouhou dobu (v ideálním případě téměř nepřetržitě), což by mohl být dobrý začátek cesty k vývoji prakticky použitelné elektrárny.
Jednoduchý kruhový průřez komory k dosažení takového cíle ovšem nestačí, to už bylo dávno jasné i fyzikům v 50. či 60. letech. Ti ovšem nemohli vědět, jaký tvar je správný, protože matematické řešení takové otázky bylo příliš složité, či spíše časově náročné. Provést nutné simulace bylo nad možnosti výpočetní techniky až do 80. let 20. století, jak si uvědomili Nührenberg a Boozer.
Nitro plazmové komory W-7X a její vybavení. Všimněte si celé řady technických otvorů, které umožňují mimo jiné i co nejpřesnější a nejdůkladnější měření parametrů plazmatu v komoře.
Potíž byla v tom, že podle simulací není stellarátor vůbec jednoduché zařízení. Komora i magnety kolem ní musí mít komplikovaný tvar a proměnlivý průřez. Z konstrukčního hlediska jde téměř o noční můru s velikými nároky na přesnost a nulovou možností pozdějších úprav.
Na druhou stranu, dva menší demonstrační projekty v USA (HSX) a Německu (W7-AS) ukázaly, že na nápadu něco je. Oba si vedly stejně dobře jako v simulacích a posunuly hranici možností této třídy zařízení o notný kus dopředu.
V obou zemích se tedy začalo uvažovat o větších projektech stejné třídy. Americký stellarátor dostal název NCSX (National Compact Stellarator Experiment) a s jeho konstrukcí se začalo v roce 2004. Ale ohromná technická náročnost projektu a další okolnosti vedly k celé řadě problémů. „Jednoduše jsme hodně podcenili náklady i nutný čas,“ shrnul prostě problémy projektu pro časopis pro časopis Science jeho vedoucí George Nielson. Obojí – tedy zdržení projektu i nárůst nákladů – nakonec v roce 2008 vedlo americké ministerstvo energetiky k zastavení celého projektu. V té chvíli bylo vyrobeno 80 procent nutných dílů, ale zkompletování zařízení bylo v nedohlednu.
Německá vytrvalost
Projekt W7-X byl v době zrušení svého amerického protějšku už 14 let starý. Vládní podpory se mu dostalo už v roce 1994, byť s tou podmínkou, že bude stát v některé z východních zemí sjednoceného Německa. Na projektu pracovalo až 400 lidí, cena byla určena po přepočtu na 550 milionů eur a start byl naplánovaný na rok 2006.
Ale i německý projekt narazil na potíže, které zastavily americký projekt – jde o zařízení na hraně dnešních technických a výrobních možností. Zařízení o hmotnosti kolem 425 tun se chladí tekutým héliem, musí být tedy naprosto těsné. Kvůli pevně danému tvaru je zároveň přístup velmi omezený a všechno musí sedět už napoprvé – původní 3D model musel být naprosto dokonalý.
Jak se dalo čekat, to se zcela nedařilo. Například třetina původně dodaných magnetů nesplňovala zadané parametry a musely se dodavatelům vrátit (jedna z těchto firem navíc zkrachovala). Také se ukázalo, že původní pevnostní výpočet byl špatný, a kdyby podle něj bylo zařízení postaveno, tak by se v provozu rozpadlo, takže se některé klíčové komponenty musely navrhovat znovu. Projekt měl doslova na kahánku. Získal si ovšem velkou podporu mezi úředníky německého ministerstva školství, kteří přesvědčili politiky o jeho smysluplnosti. Projekt nakonec dostal peníze navíc s podmínkou, že rozpočet nesmí překročit 1,06 miliardy eur a první plazma v něm musí začít obíhat v roce 2015.
Stavba si vyžádala nakonec zhruba 1,1 milionu hodin a byla hotova v květnu 2014. Od té doby na zařízení běžely „suché“ testy, které údajně potvrdily, že magnetická pole přesně splňují parametry předpovězené simulacemi. Desátého prosince došlo i na první plazma. Při něm se 30 metrů krychlových ohřívalo zkušebně „jen“ zhruba na milion stupňů silným pulzem (1,3 megawattu) trvajícím desetinu sekundu. Pro srovnání, zmenšený současný projekt ITERu počítá s objemem plazmatu 800 m3.)
Pohled na stavbu stellarátoru Wendelstein 7-X před umístěním všech prvků a jeho obalu na konečné místo dává možnost nahlédnout do dnes už skrytého nitra zařízení i představuje o jeho rozměrech.
Sledovat další zkoušky bude nepochybně zajímavé. Pokud Wendelstein 7-X překoná dnešní tokamaky své třídy, bude to znamenat nejen úspěch „šíleného“ projektu, ale také se tím může otevřít celá řada otázek kolem výzkumu jaderné fúze jako takového. Když se stellarátor ukáže jako velmi nadějný (což samozřejmě není vůbec jisté, to ani zdaleka), mohla by to ovšem být politická rána pro tokamak ITER, který má dokázat, že fúzní elektrárna na jeho principu může být opravdu skutečností.
ITER se však (stejně jako svého času W-7X) potýká s velkými potížemi při stavbě. Protože jeho plánovaný rozpočet je mnohem vyšší (původně cca 5 miliard eur, nyní 15 mld. eur, a nejspíše bude vyšší, naznačují informace z loňského roku), dopady každého zdražení jsou tedy citelnější. Je sice pravdou, že i zpožděné a předražené projekty mohou přinést cenné zkušenosti a výsledky, zkuste to ale vysvětlit politikům a daňovým poplatníkům.
Článek byl převzat z magazínu Svět plný energie věnujícím se energetice. Byl redakčně upraven. Originál najdete zde.
Názor odborníka: S fúzí je to jako s kolyVěřte, nevěřte, ale s modulárními a optimalizovanými cívkami stelarátoru W7-X se to má trochu jako s koly u dopravních prostředků. Třeba Etruskové a jiné starověké kultury používali plná kola. Husité na vozové hradby měl již kola vylehčená loukotěmi. Dnes se ale cyklisté vrací i k plným kolům. Nové technologie kompozitních materiálů jim umožňují využít výhody plných kol - totiž menšího aerodynamického odporu, než mají vypletená kola s paprsky. Právě tak se vědci „vrátili“ ke stellarátorům, protože nové technologie (počítače) umožňující využít výhody stellarátorů, kterou je absence indukcí buzeného elektrického proudu v plazmatu. Počítače nicméně optimalizovaly modulární cívky W7-X deset let! Zda si vedly úspěšně, ukáží příští měsíce. Pokud se podaří, dostanou se stellarátory na úroveň tokamaků 80. let. Což ovšem neznamená despekt, ale naopak spokojenost fúzní komunity, která stellarátorovou zálohu pro tokamaky uvítá. Nyní zkušenosti tokamaků obohacují stellarátorový program, ale blíží se doba, kdy budou tokamaky moci nejen dávat, ale i čerpat od svých kolegů stelarátorů. Stejně jako ve zmíněné cyklistice, jednou jsou výhodné drátěné paprsky, jindy plná kompozitová kola. A někdy cyklista použije s výhodou loukotě, což je hybrid plných a zapletených kol! Milan Řípa, Ústav fyziky plazmatu Akademie věd |
