Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 551

11. dubna 2013

Hledá se demo

Média s oblibou říkají: „Termojaderná fúze bude za dvacet let. A je jedno, kdy to říkáte!“ Dnes už nikdo nevypátrá, kdo zkomolil slova ředitele 1. Mezinárodní konference Atomy pro mír, která se konala v září 1955 v Ženevě, indického vědce Homiho Bhabhy: „…I venture to predict that a method will be found for liberation fusion energy in controlled manner withing the next two decades. – dovolím si předpovědět, že metoda jak uvolnit energii fúze řízeným způsobem bude známá během dvou desetiletí.“ Čili neřekl, že fúze bude vyřešena za dvacet let, ale že do dvaceti let bude známa metoda jak s fúzí nakládat!

Fotogalerie (4)

Staveniště mezinárodního tokamaku ITER z ultralajtu. Cadarache, Francie, březen 2013
(© MatthieuCOLIN.com/
ITER Organization, použito s laskavým svolením ITER organization)

Metoda je známa od srpna 1968 a jmenuje se tokamak

Na 3. Mezinárodní konferenci o fyzice plazmatu a řízené termojaderné syntéze v Novosibirsku seznámila světová fúzní jednička Lev Arcimovič vážené auditorium s výsledky dosaženými na tokamaku T3. Bylo jasné, že pokud se v Moskvě nezmýlili, pak tokamak je nejlepší cestou jak otevřít termojaderné fúzi komerční energetický mix.

K fúzní elektřině bylo tehdy v Novosibirsku ještě daleko. Nejprve se ukázalo, že indukovaným proudem se plazma do termojaderných teplot neohřeje. Když se vyřešila otázka dodatečného ohřevu mikrovlnnou energií či vysokoenergetickými neutrálními částicemi, zvýšila se rychlost úniku energie a termojaderné parametry se opět vzdálily do nedohledna. Naštěstí se Fritzi Wagnerovi podařilo na německém tokamaku ASDEX objevit v roce 1982 transportní bariéru. H-mod nejméně dvakrát zlepšil dobu udržení energie. To ale vedlo k povrchovým nestabilitám, dnes známým ELMs, a bylo opět o čem přemýšlet. Krůček po krůčku se termojaderná fúze blíží k cíli – ke komerční termojaderné elektrárně.

Proč je o fúzní elektřinu takový zájem? Protože je surovinově zabezpečená (deuterium a tritium), jaderně bezpečná (není řetězová reakce) a prostředí přátelská (minimální radioaktivita – nejsou potřeba žádná dlouhodobá uložiště).

Stručně z historie tokamaku

Vůbec poprvé na světě uvolnil významné množství fúzní energie až evropský tokamak JET v roce 1991, krátce na to se totéž podařilo americkému tokamaku TFTR. V roce 1997 dosáhl JET fúzního výkonu 16,5 MW a celková uvolněná energie přesáhla 22 MJ. Rekordy trvají dodnes. Koeficient zesílení Q však stále nedosáhl jedničky. Breakeven, kdy se výkon rovná příkonu, zůstal protentokrát nepokořen. K tomu se chystá až mezinárodní tokamak ITER.

Vzhledem k tomu, že zlepšení udržení energie plazmatu zvyšováním intenzity magnetického pole narazilo na hranici technické proveditelnosti, bylo nutné přikročit k druhému způsobu, a to k vyššímu objemu plazmatu. Proto bude ITER lineárně zhruba dvakrát větší než JET, a bude obsahovat 830 m³ plazmatu oproti 80 m³ plazmatu tokamaku JET. Očekávaný koeficient zesíleni Q se rovná 10. Poprvé v historii tedy vyrobí fúzní zařízení větší výkon, než bude jeho okamžitá spotřeba. Ale pozor, nejedná se o výkon udržující celé zařízení v chodu, ale pouze o příkon ohřívající plazma.

Stručně z výstavby

Mezinárodní tokamak ITER staví šest států a Evropská unie na jihu Francie od roku 2007. Největší finanční porci nákladů nese Evropa – 45 %. USA, Rusko, Čína, Japonsko, Jižní Korea a Indie si zbytek rozdělily rovným dílem. Většinu svých závazků partneři dodávají ve formě výrobků. Zvolený systém je nesmírně logisticky náročný. Například supravodivý materiál dodává pět států a Evropská unie. Dnes jsou již zkolaudovány dvě budovy: montážní hala pro cívky poloidálního pole a budova ředitelství. V roce 2012 bylo podepsáno 80 % plánovaných zakázek. V pokročilém stádiu je stavba tokamakového komplexu, který tvoří hala pro tokamak, diagnostiku a tritiové hospodářství.

Elektřinu nebude vyrábět ITER, ale DEMO

Oficiálně je ITER velké vědecké experimentální zařízení budované s cílem přesvědčit se o možnost i komerční výroby energie z fúze. Definice může navodit představu, že ITER bude vyrábět elektřinu, což se mnohdy tvrdí. Ve skutečnosti však ITER žádnou elektřinu vyrábět nebude.

Výroba elektřiny z fúzní energie je cílem posledního kroku mezi ITER a komerční elektrárnou. Je jím zařízení DEMO – demonstrační elektrárna. DEMO bude prototyp průmyslové elektrárny, který by měl použít všechny technologie zajišťující očekávaný výkon a ověřit spolehlivost a účinnost požadované pro průmyslovou výrobu elektřiny.

Do konce minulého roku se zdálo, že DEMO je předmětem pouhých úvah. Vždyť obecně platilo, že koncepce DEMO bude vycházet z výsledků ITER. Nebylo ani zřejmé, zda si DEMO zvolí tokamak nebo jiné obdobné zařízení. Jako už několikrát pomohla IAEA a svolala na loňský říjen „DEMO Programme Workshop (DPW-2012)“ do UCLA (Kalifornská universita v Los Angeles). Zatímco vědecké a technologické problémy, které musejí být před stavbou komerční fúzní elektrárny vyřešeny, jsou dobře známy, není jasný způsob jak to udělat. Cílem pracovního setkání bylo tuto cestu nalézt.

Pro stavbu ITER se spojilo sedm partnerů, ale pokud jde o DEMO – co stát, to jiný názor. ITER ještě zdaleka neposkytl výsledky, ale je za šest let v pokročilém stadium stavby. Partneři ITER organization tak mají už dnes značné zkušenosti se spoluprací a výrobou komponent. Můžeme hádat, které z následujících tvrzení je správné: zkušenosti získané při zadávání zakázek a jejich realizaci jsou natolik dobré, že… nebo problémy se spoluprací partnerů jsou natolik deprimující, že… se někteří z nich rozhodli postavit vlastní DEMO!

Pro DEMO se rozhodla Čína a Jižní Korea. Obě lidnaté země spěchají, aby měly spolehlivý zdroj energie dříve, než ho budou nezbytně potřebovat. Už dnes 50 milionů Korejců dováží 90 % spotřebované energie! Korea dokonce přijala zákon o vývoji fúzní energie.

Jak bude DEMO vypadat, čí bude

Předpokládané rozměry K-DEMO se příliš neliší od rozměrů ITER. Hlavní poloměr 6,5 metrů K-DEMO přesahuje ITER pouze 0,5 metru. Zato magnetické pole je znatelně silnější. Maximální toroidální pole je 16 (ITER 11,8) teslů a na ose 7,6 (ITER 5,3) teslů.

K-DEMO by měl být hotov v roce 2037. Protože ITER by měl dávat fúzní výsledky až v roce 2027, K-DEMO na ně nebude moci reagovat. V první etapě 2037 až 2050 bude K-DEMO fungovat jako testovací zařízení a teprve od roku 2050 s novými komponenty bude ve stacionárním režimu dodávat elektřinu do sítě. Za hlavní neznámé považuje Kijung Jung, vedoucí Korean ITER Domestic Agency, divertor a obal. To jsou dobře známé PFC = Plasma Facing Components.

Zdá se, že spolupráce se změnila v soutěž. To neznamená, že se Korea o svých problémech nebude radit s ITER. Zde skutečně platí, že spolupráce bude přínosem obou stran.

Rekordní výsledky tokamaku JET a stavba mezinárodního tokamaku ITER ve Francii svědčí o vedoucí úloze Evropy ve výzkumu řízené fúze. Pokud by ovšem Jižní Korea, popřípadě Čína, zahájily stavbu K-DEMO bez Evropy, mohla by své vedení Evropa ztratit. Jinými slovy, chce-li Evropa svou pozici v čele udržet, musí pomýšlet na svoje vlastní DEMO!

Otázkou je, jaké Evropa zpoždění v přípravě DEMO vůči Koreji, resp. Číně nabrala. EFDA rozdělila cestu ke komerční fúzní elektrárně na osm misí, které mají kromě jiného vyřešit odvod tepla z fúzního reaktoru, rozhodnout o koncepci plodicího obalu, postavit vhodný testovací zdroj vysokoenergetických neutronů, nezapomínat na mezinárodní spolupráci a zapojit průmysl nejen do výroby, ale i do výzkumu a … realizaci projektu DEMO.

Evropa versus Korea?

Porovnejte plán Evropy s korejským! V etapě Horizon 2020 (2014-2020) připravit ITER k úspěšné činnosti a položit základy pro fúzní elektrárnu. V druhé etapě (2012-2030) s plným nasazením provozovat ITER a připravovat stavbu DEMO. Tato fáze bývá nazývána DEMO EDA (Engineering Design Activity – tvorba inženýrského návrhu). V poslední, třetí etapě (2031-2050) ukončit činnost ITER a postavit a provozovat DEMO!

Korejská a evropská témata a termíny se v podstatě neliší. Zpoždění může Evropa kompenzovat stavbou ITER na svém území. To znamená, kromě pětinásobného příspěvku na stavbu oproti zbývajícím partnerům, také 60 % evropských zaměstnanců ITER organization, a to i na vysokých úrovních řízení, nebo mnohem více zakázek z Evropy než odjinud. Suma sumárum – pro DEMO si Evropa připravuje jak odborníky na všech úrovních, tak i průmysl tím nejlepším možným způsobem na světě.

O ITER Třípól psal v: