Je to tady! Blíží se fúzní elektrárna!

Navzdory všem skeptikům, pochybovačům a „nepřátelům“ práce na projektu fúzní elektrárny začíná. Novinářská kachna? Vůbec ne. Je dobře známo, že ověření vědecké a zejména technologické proveditelnosti fúzního reaktoru leží na bedrech budovaného tokamaku ITER. Také je známo, že ITER nebude vyrábět elektřinu. To bude úkolem demonstrační elektrárny, pro kterou se vžil název DEMO. Zatímco tokamak ITER staví v ruku v ruce Evropská unie a šest dalších států, DEMO si postaví každý partner sám. Projektovat začaly Korea, Čína, Indie, Japonsko a Evropská unie.

Obsáhlý článek o fúzní elektrárně si také můžete přečíst v časopise Energetika, č. 3/2015, str. 136.

Koláče nejsou bez práce

Fúzní elektrárny mají potenciál prakticky navždy pokrýt energetické potřeby lidstva, výroba elektřiny z jaderné fúze přitom bude mnohem ekologičtější, než ze všech ostatních energetických zdrojů včetně obnovitelných. Fúzní elektrárny budou vyrábět elektřinu o vysokém konstantním výkonu bez jakýchkoliv dopadů na životní prostředí.

Na návrhu demonstrační fúzní elektrárny DEMO již začalo pracovat EUROfusion, konsorcium evropských výzkumných institucí, nástupce Evropské dohody o fúzním výzkumu EFDA. Cílem konsorcia je představit lidem fungující elektrárnu vyrábějící elektřinu z termojaderné energie, tj. jaderné energie uvolněné za vysokých teplot při slučování atomových jader. V každém případě se jedná o historický okamžik, který nemá v dějinách lidské společnosti obdoby.

Úkoly pro DEMO

Jaké úkoly zbydou po ITER na jeho následníka DEMO? Ovládání mnohem výkonnějšího plazmatu než bude hořet v ITER, výroba části paliva – tritia v uzavřeném cyklu a současně výroba elektřiny v rozsahu standardních elektrárenských bloků. Nebude stačit dokonalé zvládnutí fyziky termojaderné fúze, ale bude nutné počítat s možnostmi techniky. Například bude třeba zvládnout výrobu inovovaných materiálů pro první stěnu, vnitřní stěnu vakuové nádoby odolávající extrémnímu plazmatu. Do vývoje potřebných technologií bude nutné zapojit odborníky mnoha profesí, průmysl, chemiky, inženýry a techniky. Fúzní elektrárna bude také muset splnit přísné předpisy pro provoz jaderných zařízení.

Energetický fúzní reaktor

Pro energetický fúzní reaktor bude typický vysoký energetický tok z plazmatu na první stěnu reaktoru. Ten bude složen z tepelného toku a toku neutronů o vysoké energii 14 MeV. Neutrony způsobí radiační poškození první stěny. Druhou částí zátěže první stěny je tepelný tok. Kotle v uhelné elektrárně jsou zatíženy tepelných tokem od spalovaného uhlí přibližně na úrovní 1 000 W/m². Obal palivových článků jaderné elektrárny je zatížen tepelným tokem přibližně 500 000 W/m². První stěna fúzních reaktorů musí odolat náhodnému tepelnému toku až 40 000 000 000 W/m² (40 GW/m²), i když jen na krátkou dobu - při dopadu tzv. ubíhajících elektronů. Nominální zátěž první stěny bude od 1 MW/m² do 5 MW/m².

Fúzní reaktor JET, který prokázal možnost uvolňovat využitelnou fúzní energii, dosáhl zesílení Q = 0,65, kde Q je poměr fúzního a ohřevového výkonu. To znamená, že uvolnil jen , % energie spotřebované na ohřev plazmatu. Reaktor ITER je navržen pro Q = 10 (má vyrobit desetinásobek vložené energie). Demonstrační fúzní elektrárna bude pracovat s vysokým koeficientem zesílení v rozsahu 30 až 100. Budoucí fúzní elektrárny budou pracovat se zesílením blížícím se k nekonečnu. Tyto elektrárny totiž budou mít vysoký fúzní výkon, který sám o sobě bude udržovat potřebnou teplotu plazmatu. Systémy ohřevu budou využívány jen pro nastartování reaktoru a pro generování elektrického proudu v plazmatu. Plazma bude doslova a do písmene hořet samo.

PROCESS system code – počítačová simulace

Počítačový program pro základní simulací fúzní elektrárny již funguje. Umožňuje navrhovat všechny hlavní komponenty fúzního reaktoru: je multiparametrický a vnitřně konzistentní, a díky tomu dokáže automaticky přepočítat ostatní parametry elektrárny při změně jednoho z nich. Například nastavení příliš vysokého výkonu plazmatu se projeví v upozornění, že byla překročena hranice namáhání určitých komponent vakuové komory; současně kód nabídne řešení vzniklých potíží – změnu velikosti zařízení, které je pak schopno vyšší výkon plazmatu akceptovat.

PROCESS system code byl použit již pro European Power Plant Conceptual Study, vydanou v roce 2005, a nyní se používá pro návrhy pracovních variant elektrárny DEMO. Podle Fusion Roadmap – kroky Evropské unie k elektřině z jaderné fúze –- má být projekt fúzní elektrárny připraven do roku 2030 a elektrárna se má zprovoznit do roku 2050. Software PROCESS pomáhá při výběru a hodnocení různých řešení reaktoru budoucí elektrárny. Základní požadavky na elektrárnu jsou kombinovány s fyzikálními hranicemi a technologickými omezeními. Na základě těchto podmínek software spočte sestavu fyzikálních a energetických parametrů a zajistí tak vstupní hodnoty pro podrobnější modelování a projektování jednotlivých komponent reaktoru.

„Stanovení realistického výkonu elektrárny a časového programu stavby bude rozhodujícím motivem při výběru technických charakteristik zařízení při prosazování spíše konzervativního přístupu s cílem dořešit vše co nejdříve,“ prohlásil Gianfranco Federici, vedoucí Power Plant Physics & Technology Department konsorcia EUROfusion. Klíčovým zařízením přípravy fúzní elektrárny je tokamak ITER, který poskytne rozsáhlé know-how, získané při jeho výstavbě a provozu. Aktuální koncepční návrh, který se neustále vyvíjí (má být ukončen do roku 2020), počítá s elektrickým výkonem elektrárny dodávaným do sítě 500 MW a kontinuálním provozem reaktoru při délce indukční fáze 2 hodiny a neindukční fáze 15 minut.

Fúzní a štěpná

Fúzní elektrárna se nebude výrazně odlišovat od jiných elektráren. Nejvíce podobná bude jaderným elektrárnám, od kterých se bude lišit pouze reaktorem a jeho podpůrnými systémy.

Elektrárna bude dvouokruhová, reaktor a primární okruh budou uzavřeny v ochranném kontejnmentu. Ačkoliv je fúzní reaktor vnitřně bezpečný a nemůže samovolně explodovat jako jaderný reaktor, fúzní elektrárna se bude posuzovat a schvalovat podle stejných pravidel jaderné bezpečnosti jako nové štěpné jaderné elektrárny. V reaktoru budou působením neutronového toku vznikat sekundárně radioaktivní materiály. Ochranný kontejnment zabrání úniku těchto materiálů do okolí elektrárny. Jakmile se reálným provozem fúzních elektráren vyhodnotí množství sekundárně radioaktivních materiálů v reaktoru, pravděpodobně dojde k výraznému zjednodušení požadavků na bezpečnost fúzních elektráren.

Chlazení reaktoru bude zajišťovat primární chladicí okruh elektrárny. Výběr chladicího média je ale komplikovaný úkol. Vybírá se mezi vodou, heliem a tekutými kovy, především tekutou slitinou lithia a olova LiPb. Každé z nich má své výhody a nevýhody. Voda je dokonalé chladivo, přináší však i nepříjemnosti v podobě koroze chladicích kanálů nebo silné exotermické reakce s lithiovými materiály blanketu, plodivého vnitřního obalu reaktoru. Výhodné by bylo použití helia, které v reaktoru vzniká jako odpad fúzní reakce. Helium je přírodní inertní plyn, bohužel ale nemá dostatečnou schopnost uchladit povrchy reaktoru zatížené vysokým tepelným tokem. Tekuté kovy bez problémů zvládají vysoký tepelný tok, avšak jsou elektricky výborně vodivé, a proto  magnetické pole reaktoru  silně ovlivňuje proudění tekutého kovu a tím může bránit chlazení komponent reaktoru. Také naopak, změny proudění tekutého kovu mohou ovlivnit magnetické pole reaktoru.

Zařízení vně ochranného kontejnmentu bude podobné, ne-li identické se zařízením existujících jaderných elektráren. To přinese velké výhody z hlediska návrhu, ceny a spolehlivosti zařízení, protože bude možné použít standardní a vyzkoušené průmyslově vyráběné vybavení elektráren. Fúzní elektrárna nás proto v blízké budoucnosti nezbaví nutnosti využívat pro výrobu elektřiny termodynamický cyklus s relativně nízkou účinností. V daleké budoucnosti však zvládnutí termojaderného plazmatu umožní generovat elektrický proud prostřednictvím magnetohydrodynamických generátorů s mnohonásobně vyšší účinností.

DEMO bude tokamak!

Poslední, avšak důležitá poznámka. DEMO počítá s reaktorem na principu tokamaku podobné konstrukce jako ITER. To umožní tzv. škálování fyzikálních parametrů reaktoru, tj. využít pro DEMO experimentální data geometricky podobných menších reaktorů včetně českého tokamaku COMPASS!

Orientační porovnání některých charakteristik fotovoltaické, uhelné, jaderné a fúzní elektrárny o velikosti výkonu reaktoru jaderné elektrárny Temelín:

V Třípólu jsme o mezinárodním projektu výstavby prvního fúzního reaktoru ITER již několikrát psali:

http://3pol.cz/1692-iter-je-cesta

http://3pol.cz/1606-280-000%C3%97-silnejsi-nez-magneticke-pole-zeme

http://3pol.cz/1604-termoska-pro-tokamak

http://3pol.cz/1594-zkusebni-konvoj-pro-iter

http://3pol.cz/1563-cinsky-cesnek-nechci

http://3pol.cz/1338-umele-slunce-ziskava-svou-tvar

http://3pol.cz/1282-jak-udrzet-slunce-v-hrsti

http://3pol.cz/1736-bublinky-v-tokamaku

Obrázky použity s laskavým svolením ITER Organization.

Slavomír Entler