Cesta k umělému slunci
13. 6. 2007
Víte, kde je u nás nejtepleji? V jedné nenápadné jednopatrové budově v pražských Ďáblicích. V komoře nejstaršího fungujícího tokamaku světa, který nese jméno Castor. Na měření teploty vám tu ovšem nebude stačit žádný běžný teploměr. Plazma v kruhové komoře Castora totiž dosahuje několika miliónů stupňů. Fyzikové a technici mnoha zemí světa totiž nyní usilují vytvořit energetický zdroj budoucnosti, nezávislý na omezených zásobách fosilních paliv nebo uranu. Jeho podstatou je slučování jader vodíku na helium. Ohromným přírodním vzorem bylo fyzikům samotné Slunce. Jenže zcela napodobit přírodní podmínky uvnitř naší hvězdy, kde termojaderná fúze probíhá a vzniká přitom ohromné množství energie, je v pozemských podmínkách nemožné. Co fyzikové nedokážou s gigantickým tlakem, to musejí dohnat teplotou. Pro slučování v pozemských tokamacích musejí dosáhnout nepředstavitelných sto miliónů stupňů. Jakými prostředky se jim to daří? Jak daleko v úsilí o postavení termojaderného reaktoru fyzikové spolu s techniky pokročili? Jak se v tomto velkém projektu světového výzkumu zapojují naši fyzikové? A kdy se dočkáme první energie z tohoto skutečně nevyčerpatelného zdroje? Nyní se pokusíme o odpovědi na tyto a další otázky kolem termojaderné fúze.
Již téměř pět miliard let září naše Slunce. Jen díky němu na Zemi vznikl a stále existuje život. Jenže lidské civilizaci jeho energie nestačí …
RNDr. Jan Mlynář, Ph.D., oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: Takže já si myslím, že to byl dobrý dotaz na tu Tritonovu limitu. To je teda limita pro Beta, tedy pro relativní tlak plazmatu v magnetickém poli.
To je on. Tokamak. Nejstarší tokamak světa. Zaručeně nejžhavější místo v České republice. Teplota v jeho kruhové komoře, obklopené magnetickými cívkami, dosahuje několika miliónů stupňů. Ano, jde o velice „žhavé téma“. O dostatek energie pro naši budoucnost.
Podle odhadů Světové rady pro energii se během příštích dvaceti let celosvětový hlad po zdrojích elektřiny vyšplhá na dvojnásobek! Ze současných tří a půl na sedm terrawattů. Většina naší energie stále pochází z fosilních zdrojů. Zásoby uhlí vystačí snad ještě na dvě stě let, ropa už jen na padesát, zemní plyn možná na šedesát let. Uran pro jaderné elektrárny vystačí asi ještě na další století.
Spalování fosilních paliv ovšem vede k růstu skleníkového efektu. Většina klimatologů varuje: Další emise oxidu uhličitého urychlí nevratné globální změny. Potřebujeme nový zdroj energie bez emisí CO2!
RNDr. Jan Mlynář, Ph.D., oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: … proudu v plazmatu na převrácené hodnotě bezpečnostního parametru.
Jak se rodí budoucnost? Třeba takhle. Jsme v Ústavu fyziky plazmatu naší Akademie věd v Praze Ďáblicích.
Carlos Montes, student FJFI ČVUT, San José, Kostarika: V naší zemi jsme na začátku výzkumu v oblasti plazmatu, který vede Dr. Frank Díaz. Začal výzkumný program v jedné firmě z americké NASA. Dělají na projektu pohonné jednotky pro kosmické lety.
Erland López, student FJFI ČVUT, La Paz, Bolívie: Jsem rád, že mohu studovat na této fakultě, protože jsem cítil, že nukleární fyzika, zvláště fúze, se stane klíčem k budoucnosti.
Seminář pro studenty pražského ČVUT vedou specialisté Ústavu fyziky plazmatu.
RNDr. Jan Mlynář, Ph.D., oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze v letošním roce poprvé otevírá nové zaměření: fyzika termojaderné fúze. Reaguje se tím nejen na to, že v Evropě se bude stavět reaktor ITER, ale také na to, že v České republice budeme instalovat nový tokamak Compass D. Přesto, že jde o úplně nové zaměření, tak mezi studenty je dostatečný zájem. Máme několik studentů v prvním ročníku a na další rok opět víme o několik zájemcích. A také se zajímají studenti jiných zaměření o to, že by si zapsali některé z našich přednášek.
Jak je to vlastně s energií z jádra atomů? Nejprve je tu známý rozpad uranových jader. Ten probíhá v tenkých palivových tyčích v jaderném reaktoru – třeba v Dukovanech nebo v Temelíně. Horko, vznikající při rozpadu uranu, pohání parní turbínu a připojený generátor vyrábí elektřinu. Dokonalým zdrojem energie je však naše Slunce. Každou sekundu se v něm šest set padesát miliónů tun vodíku mění na helium. A přitom se uvolňuje obrovské množství energie. Jenže jak vytvořit takové umělé, řízené slunce tady na Zemi?
Žádný pozemský materiál nedokáže udržet pohromadě vodíková jádra, zbavená elektronů a zahřátá na nepředstavitelných sto miliónů stupňů. Leda – nádoba ze silného magnetického pole! S tímto řešením přišli už v padesátých letech ruští fyzikové. Dostalo název tokamak. Vakuová komora s magnetickými cívkami na principu transformátoru ionizovaný plyn, zvaný plazma, udržuje i ohřívá.
RNDr. Jan Stöckel, CSc., vedoucí oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: Nyní stojíme před tokamakem Castor, který funguje v Ústavu fyziky plazmatu od roku 1977 a je to v podstatě nejstarší tokamak na světě, na kterém jsme pracovali třicet let. Získali jsme bohaté experimentální zkušenosti a v současné době chceme naše aktivity zvýšit a před sebou vidíte komoru nového tokamaku, který dovezeme v blízké budoucnosti z anglické laboratoře v Culhamu.
V Culhamu nedaleko Oxfordu sídlí britské Středisko pro výzkum termojaderné fúze. Najdete tu i největší tokamak současnosti. Tento několikapatrový kolos je mezi odborníky celého světa známý pod zkratkou JET – Joint European Torus, Společný evropský prstenec. Ve vedlejší hale stojí menší, britské tokamaky. Vědci na nich zkoušejí jinou koncepci, jak udržet žhavé plazma.
RNDr. Jan Stöckel, CSc., vedoucí oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: Pro srovnání vidíte průřez vakuové komory tokamaku Castor a zde část komory tokamaku Compass D. Hned zde vidíme velký rozdíl ve tvaru průřezu té komory. U tokamaku Castor byla komora kruhová a relativně malá, kdežto u tokamaku Compass je vakuová komora ve tvaru písmene D.
Culhamské výzkumné středisko spravuje Britská agentura pro atomovou energii. Na evropském experimentu JET se podílejí všechny členské země Euratomu, tedy i Česká republika. Britští fyzikové zvolili pro vakuovou komoru některých svých tokamaků kulovitý tvar. Ten pro udržení žhavého plazmatu vyžaduje slabší magnetické pole než prstencová komora sousedního velkého JETu. V komoře největšího britského tokamaku o průměru dva metry sledujete výboj plazmatu, žhavého několik desítek miliónů stupňů.
V této samostatné budově se v Culhamu skladuje palivo pro tokamaky. Je to nejlehčí prvek na Zemi – vodík. Přesněji – jeho těžší izotopy, deuterium a tritium. Jádro normálního vodíku tvoří jediný proton. Deuterium má v jádře navíc neutron, tritium – dva neutrony. Na rozdíl od deuteria, běžně přítomného ve vodě, se tritium musí získávat z nejlehčího kovu, lithia, které se v dostatečném množství vyskytuje v zemské kůře a v mořích.
RNDr. Jan Stöckel, CSc., vedoucí oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: Až tokamak uvedeme do provozu, dosáhneme mnohonásobného zvýšení parametrů plazmatu, zejména teplot. Na tokamaku Castor jsme dosahovali teplot několik miliónů stupňů, kdežto v tokamaku Compass budou teploty řádově desítek miliónů stupňů.
Toto je cvičný JET – trenažer pro specialisty, kteří budou tokamak obsluhovat. Aby k termojaderné reakci v komoře tokamaku došlo, musí být splněny tři základní podmínky: vodíkové palivo musí mít teplotu sto nebo dokonce až dvě stě miliónů stupňů, být dostatečně husté po nezbytně dlouhou dobu. Jenže splnit všechny tři podmínky současně je nesmírně obtížné.
RNDr. Jan Stöckel, CSc., vedoucí oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: Ovšem hlavní rozdíl mezi těmito dvěma zařízeními spočívá právě ve tvaru sloupce plazmatu.
Zde jsou pro srovnání průřezy některých současných tokamaků.
RNDr. Jan Stöckel, CSc., vedoucí oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: Tokamak Asdex, který je v Garchingu u Mnichova, tokamak JET, který je v Culhamu v Anglii a průřez sloupce plazmatu budoucího testovacího reaktoru ITER, který se buduje v Cadarache ve Francii.
Ve středisku francouzského jaderného výzkumu v Cadarache nedaleko přístavu Marseille je už řadu let v provozu supravodivý tokamak Tore Supra. V sousedství střediska nyní vzniká komplex budoucího tokamaku ITER. Jeho komora bude mít dvakrát větší poloměr než má dosud největší tokamak – JET. Plazma tu bude ohřívat proud sedmnácti miliónů Ampérů. Budoucí pražský tokamak Compass se bude desetkrát většímu ITERu velmi podobat.
RNDr. Jan Stöckel, CSc., vedoucí oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: To nám umožní provozovat tokamak Compass ve stejných výbojových režimech, jako tokamak ITER, a studovat plazma zejména na okraji sloupce plazmatu v podobných výbojových režimech.
Cesta ke vzniku umělého slunce na Zemi je jedním z největších dobrodružství lidského poznání. Všichni, které toto téma fascinuje, teď mají jedinečnou příležitost.
Ing. František Žáček, CSc., oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: Výstava Fusion Expo je neustále inovovaná putovní výstava Evropské komise, která navštěvuje každoročně pět až deset evropských měst. I v Praze už byla jednou před devíti lety při pořádání mezinárodního kongresu o fyzice plazmatu. Tato výstava, stejně jako tenkrát, je pořádána naším Ústavem fyziky plazmatu Akademie věd, tentokrát však v plné součinnosti a spolupráci a hlavně v budově Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské na pražském Starém Městě.
Výstava přibližuje řešení jednoho z nejzávažnějších problémů současného lidstva – pokrytí stále rostoucí spotřeby energie. Zblízka poznáte, jak napínavé bylo a stále je hledání způsobů, jakými konečně ovládneme sluneční výheň a získáme z ní dostatek elektřiny.
Ing. František Žáček, CSc., oddělení tokamaku, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: No, a o tom všem se budou moci návštěvníci na výstavě přesvědčit. Chtěl bych jen dodat: výstava bude doprovázena celou sérií přednášek, jak populárních, tak odborných. Diváci mohou detailní informace najít na webové stránce výstavy, která má jednoduché pojmenování: jaderka.cz. Opakuji: http://www.jaderka.cz/.
Fusion Expo vás zavede do světa nepředstavitelné výhně i absolutního chladu supravodivých magnetů. V PORTu se k české účasti na cestě k řízené termojaderné fúzi zanedlouho vrátíme znovu.
Autor: Vladimír Kunz