Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 269

Užitečný nepřítel aneb turbulence vítány!

Představit všechny materiály používané v tokamaku ITER, byť jen heslovitým způsobem, by bylo nad síly jednoho článku. Všimněme si ale jedné zajímavosti, která na první pohled popírá dosavadní snahy o co nejvyšší kvalitu termojaderného plazmatu. Jsou případy, kdy nám nežádoucí turbulence v plazmatu naopak pomáhají.

Fotogalerie (4)
Kde je co? Be first wall = "první stěna" z berylia, W divertor = divertor z wolframu, CFC divertor = části divertoru z kompozitu z uhlíkových vláken (carbon fiber compozite) (zdroj: Archiv Jiřího Matějíčka)

Na materiály, kterými může být vystlána vnitřní stěna vakuové komory pro uchovávání plazmatu, se kladou nejrůznější požadavky: např. extrémní odolnost vůči tepelnému namáhání, či co nejmenší počet elektronů v obalu jádra.

Hledání materiálů

Nároky na materiály pro fúzní zařízení přirozeně v průběhu výzkumu rostly s rostoucím obsahem energie ve studovaného plazmatu. První tokamaky používaly skleněné nebo keramické vakuové komory. Stěny komory už tehdy uvolňovaly do plazmatu nečistoty, které plazma ochlazovaly. Dominoval křemík. Záměnou keramiky za ocel se vyměnily ochlazující prvky – místo křemíku se objevil kyslík či dusík, plyny absorbované povrchem komory. Pomohlo vypékání komory topnými spirálami či „trénováním“ doutnavým výbojem. Další zvyšování energie plazmatu způsobilo další typ  znečistění - samotnými stavebními prvky materiálu stěn, zejména železem. Železo má v obalu 24 elektronů, ne všechny se v plazmatu odtrhávají a bloudící ionty pak plazma ochlazují. Příměsi v konstrukčních ocelích, v tomto případě například chrom či nikl, jsou na tom co do počtu elektronů podobně. Nastoupila uhlíková éra. Uhlík se v plazmatu plně ionizuje a nebezpečí ochlazování pominulo. Energie plazmatu pro experimenty mohla být opět trochu větší. Tu se objevilo nové strašidlo. Jmenovalo se odprašování. Uhlíkové částice uvolněné ze stěn způsobily v horkém jádru plazmatu tzv. „uhlíkovou katastrofu“ [carbon blooming], kdy plazma skokově vychladlo. Bylo nutné hledat pro první stěnu nový materiál. Volba padla na berylium. Prvek se tak snadno neodprašuje a přitom je při používaných teplotách plně ionizován. Tepelnou odolnost měl v normě, ba dokonce lépe než v normě – snášel jednotky MW/m2. Další růst energie plazmatu však věští problémy a berylium dnes přestává vyhovovat, ačkoli vnitřek mezinárodního tokamaku ITER ve výstavbě s beryliem na povrchu vakuové komory počítá. ITER bude na plochu 610 m2 potřebovat 12 tun (mírně toxického, karcinogenního) berylia.

Žádné těžké prvky! Nebo ano?

Je dobré připomenout, že standardní situace ve vakuové komoře uvažuje spíše náhodné než předpověditelné stěnové ataky energií schovaných v jazycích plazmatu. Stěny jsou stacionárně namáhány především brzdným zářením elektronů v elektrickém poli iontů. Brzdné záření je úměrné kvadrátu Zeff (efektivní atomové číslo) takže opět prosím žádné těžké prvky v DT plazmatu! Dnes již fungují dva velké tokamaky, které berylium na stěnách vakuové komory vyměnily za velmi hmotný prvek – wolfram: německý ASDEX Upgrade a nedávno francouzský Tore Supra dokonce kvůli tomu změnil i název – WEST (Wolfram Environment in Steady-state Tokamak). Jaká doporučení poskytnou demonstrační elektrárny? Čas ukáže!

Odpověď neznáme, dokud to nevyzkoušíme

Je třeba nabrat zkušenosti. Podle Vladimíra Weinzettla, vedoucího diagnostické sekce pražského tokamaku Compass platí: „Zkušenosti z ASDEX-U s wolframem jsou jednoznačné - všechno se chová jinak než s uhlíkovou stěnou, a to kvůli jiné chemii s vodíkem, jinému parazitnímu ohřevu komponent, jiné vodivosti povrchu a jiné absorpci vodíku v materiálu. Wolfram v plazmatu (74 elektronů v obalu!!) se samozřejmě akumuluje, což je průšvih, takže se hledají cesty, jak z toho ven. A zdá se, že možná i úspěšně. Ale jak moc jsou poznatky extrapolovatelné na ITER a pak budoucí DEMO, o tom se jen spekuluje.“

Divertor je z wolframu

Zcela jiná situace je v části vakuové komory zvané divertor. Speciálně tvarované magnetické pole v okolí divertoru nejen, že nebrání plazmatu se dotknout stěn (terčů) divertoru, ono ho k dotyku přímo nabádá. Divertor na svých terčích shromažďuje nečistoty z povrchu plazmatu spolu s fúzním odpadem – heliem. Neutralizované je pak pohlcují nenasytné jícny vakuových pump. Tepelné namáhání je mnohonásobně větší než ve vakuové komoře. Počítalo se s desítkami MW/m2 a odvážlivci dnes hovoří o stovkách MW/m2.  To je slušná porce i pro jinak odolný wolfram.

Turbulence jsou nepřítel

Dovolte mi malou odbočku od fúzních materiálů k nestabilitám plazmatu. Oba pojmy spolu souvisí. Kupříkladu nestability okrajového plazmatu zvané ELM (Edge Localized Modes) vysílají jazyky horkého plazmatu napříč udržujícím magnetickým polem a po kontaktu se stěnou komory prověří její kvalitu: stěna se odprašuje, nataví se, popraská, odloupne atd. Turbulentní plazma má k nestabilnímu velmi blízko. Turbulence byly proto odjakživa nepřítelem fúzních fyziků. Nic ale není černobílé.

Turbulence jsou přítel

Takže nás asi úplně nepřekvapí, když se výzkumníci PPPL (Princeton Plasma Physics Laboratory) zeptali superpočítače Titan v Oak Ridge Leadership Computing Facility, jak zabránit destrukci divertoru (o kterém jsme si řekli, že musí odolat stovkám megawatů tepelných toků na čtvereční metr). Víte, co jim Titan odpověděl? V tokamaku ITER, v důsledku rozměrného plazmatu (800 m3), by mohly okrajové turbulence plazmatu rozptýlit dopadající teplo na větší plochu divertoru a podstatně zvýšit šířku tepelného toku. Jinými slovy, zmenšit plošnou hustotu dopadající energie a zmenšit tak tepelné namáhání divertorových terčů. Najednou jsou nám turbulence dobré! Zatímco ve vakuové komoře zůstávají turbulence nežádoucí, v okolí divertoru je uvítáme? Možná!

Milan Řípa
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Vánoční triumf nových alpských lanovek

Milovníci vysokých hor, sportovci, turisté a fotografové dostali v prosinci předvánoční dárek v podobě dvou úžasných moderních lanovek. Kromě toho, že nabízejí komfort a úchvatné pohledy na Alpy v Německu, Rakousku a Švýcarsku, pyšní se několika světovými "nej".

Finále soutěže FyzShow s energií

Už potřetí jsme se sešli v Domě dětí a mládeže v Ostravě-Porubě na finále soutěže fyzikálních pokusů FyzShow. Tématem letošní soutěže byla energie a její přeměny. Účastníci nás svými pokusy nenechali na pochybách, že tématu rozumí, a hbitě měnili energii ...

Uzavřený jaderný palivový cyklus

Návrh nového jaderného palivového cyklu, který přijatelně a spolehlivě řeší, co s použitým palivem, představila na symposiu Světové jaderné asociace v Londýně Ludmila Zalimskaja, generální ředitelka ruské firmy JSC Tenex.

Stabilizace plazmatu v tokamaku - dříve kožich, dnes elektronika

Při uvolňování energie jadernou fúzí je důležitým parametrem pro zachování ustáleného stavu, aby bylo termojaderné plazma izolováno od stěn nádoby pomocí magnetického pole supravodivých cívek.

Odstávka na výměnu jaderného paliva

Právě teď probíhá v Temelíně důležitá odstávka jaderného reaktoru, během níž se nejen vyměňuje použité palivo za čerstvé, ale probíhají i nejrůznější kontroly, zkoušky a revize. Z reaktoru prvního bloku se vyvezlo během čtyř dní všech 163 palivových souborů.

Nejnovější video

Zrození nového ostrova

Po 53 letech se roku 2015 objevil na Zemi v souostroví Tonga nový ostrov. Turistům se podařilo jeho zrození z hlubin moře natočit. Vulkanická exploze vyvrhla prach do výšky 9 kilometrů. Vědce nyní nesmírně zajímá - představuje totiž krajinu podobnou té na Marsu. Eroze nových hornin může simulovat poměry, jaké byly na Marsu, když ještě na něm byla voda. (Zdroj NASA)

close
detail