Jak ušetřit čas před spuštěním tokamaku ITER?

Britský tokamak JET je od listopadu minulého roku mimo provoz, a to až do září 2017, kdy bude připravena konfigurace pro činnost se směsí DT (deuterium-tritium). Co se při odstávce konkrétně dělá? Před zprovozněním zařízení je nutná kalibrace diagnostik, musí se vyjmout a analyzovat vzorky – na příklad se zjišťuje, kolik paliva a kolik nečistot a prachu zůstalo po posledním provozu. Buduje se infrastruktura pro rozptylový injektor pelet v současné době vyráběný v Oak Ridge National Laboratory v USA, který umožní výzkumníkům studovat scénář potlačování disrupcí (nestabilit vedoucích ke kolapsu výboje). Probíhá podrobná analýza vysoce úspěšné kampaně z roku 2016 a připravují se zkoušky s reakcemi deuterium-deuterium a tritium-tritium na rok 2018 a deuterium-tritium (DT) v letech 2019 a 2020. Spojený evropský torus (Joint European Torus, JET) je největším tokamakem na světě a jako jediný může pracovat se směsí deuterium-tritium. Stojí v Culhamu u Oxfordu a je provozován jménem evropských partnerů sdružených v konsorciu EUROfusion.

K přípravě posledně zmíněných velmi náročných kampaní se využívá řada analýz a modelování, které provádějí vědci z celého EUROfusion (konsorcia, které nahradilo známou EFDA – European Fusion Development Agreement). Během plánované odstávky bude v Culhamu společně pracovat kolem 300 vědců.

Slučování tritia s tritiem není běžná reakce

Hmotnost částic hraje důležitou roli ve stabilitě a přenosu energie uvnitř plazmatu. Chceme-li hlouběji porozumět těmto jevům před tím, než se přejde ke standardní reakci směsi deuterium-tritium, je nanejvýš vhodné zajímat se o reakci tritium-tritium. V perspektivním termojaderném plazmatu bude deuterium (hmotnost 2) tvořit polovinu počtu částic, druhou polovinu jádra tritia (hmotnost 3). To znamená průměrnou hmotnost částic plazmatu 2,5. Abychom pochopili chování tohoto jaderného plazmatu, můžeme extrapolovat to, co pozorujeme v čistě deuteriovém plazmatu. To fúzní výzkumníci dosud prováděli rutinně a zopakují to i v roce 2018. Ovšem extrapolaci vycházející z jednoho bodu (reakce DD) chybí zřejmě přesnost. Mnohem přesnější data dostaneme, když zahrneme i čistě tritiové plazma a budeme porovnávat výsledky ze dvou bodů (reakce DD a TT).

A tritium je drahé…

K dispozici bude 60 gramů tritia. V  tritiovém hospodářství tokamaku JET recirkuluje asi 12× po sobě, takže tokamak může dodat během celé kampaně do vakuové komory celkem asi jeden kilogram tritia. Úbytek skutečným spálením, tedy spotřeba tritia fúzní reakcí, bude velmi malý.

Změny od DT kampaně 1990 do DT kampaně 2019

Před čtvrt stoletím pokrýval stěny vakuové komory tokamaku JET uhlík. Vše bylo podřízeno snaze dosáhnout co nejdříve maximálního fúzního výkonu. Od uhlíku se upustilo zejména proto, že se snadno rozprašuje a při vyšších výkonech došlo díky silnému znečištění plazmatu uhlíkem k náhlému ochlazení – tzv. uhlíkové katastrofě (carbon-blooming). Proto se uhlík u výkonnějších tokamaků nahrazuje berylliem a koketuje se s wolframem. Wolfram má ze všech známých kovů nejvyšší tepelný práh rozprašování. Prosím pozor, mluvíme o první stěně vakuové komory, divertor bude mít z wolframu už i ITER. Celowolframové tokamaky jsou dnes například WEST (W Environment in Steady-state Tokamak – bývalý Tore Supra), který funguje nedaleko staveniště ITER v jižní Francii, a německý ASDEX-U. Od roku 2011 pracuje tokamak JET s „ITER-like wall“, tedy stěnou vakuové komory pokrytou wolframem a berylliem, jako testovací zařízení pro ověření fyzikálních modelů vzájemného působení plazmatu a stěny a modelování nástrojů pro tokamak ITER. Vlastnosti materiálů první stěny ovlivňují výkon plazmatu; zásadní výzvou zůstává udržet vysoký výkon fúze (10-15 MW fúzního výkonu po dobu 5 s). Protože cívky tokamaku JET – na rozdíl od cívek tokamaku ITER – nejsou supravodivé, musí se doba trvání pulzů plazmatu omezit na 5 s až 6 s. V roce 1997 tokamak JET s ohřevovým výkonem 20 MW získal 4 MW stacionárního fúzního výkonu po zmíněnou dobu 5 s. V příští kampani chce JET dosáhnout při 40 MW ohřevového výkonu fúzní výkon 10 až 15 MW po dobu 5 s. Ve smyslu vyrobené fúzní energie jde o značný nárůst (Energie = výkon × doba: 20 MWs z roku 1997 by mělo narůst v roce 2019 na 75 MWs).

Čím změna stěny tokamaku JET na „ITER-like“ obohatí kampaň roku 2019?

Vnitřní stěna pokrytá berylliem má mnoho výhod. Ale mění všechno v porovnání s dřívějšími experimenty s uhlíkovou stěnou. Protože beryllium není tak tolerantní k dlouhotrvajícím pulzům vysokého výkonu, zvětší se Z_eff (efektivní náboj jádra zohledňující stínicí efekt elektronů obalu) a tudíž se zvětší ztráty brzdným zářením. „Výsledky naší poslední kampaně nás naplnily důvěrou. Co jsme se naučili a co se ještě naučit hodláme při nadcházejících kampaních, ušetří hodně času na cestě ke spuštění reakce deuterium-tritium v tokamaku ITER,“ říká vedoucí programu tokamaku JET Lorne Horton.

Volně podle Roberta Arnouxe, ITER org.