Tokamak DIII-D National Fusion Facility se vyzbrojuje

Jeden z nejflexibilnějších a nejlépe vybavených tokamaků pro výzkum fúze na světě prochází v současné době významnými vylepšeními, která usnadní cestu k elektrárnám na principu jaderné fúze. Nové vybavení umožní studium fyziky hořícího plazmatu a jeho udržení. Zatím nejúspěšnější zařízení pro studium termojaderné fúze – tokamak – není nic jiného, než zvláštní druh elektrického transformátoru. Jako takový, je tokamak v principu pulzní zařízení. Vědci a technici usilovně pracují na odstranění, nebo alespoň zmírnění této nevýhody tokamaku. To znamená prodloužit pulzy plazmatu na co nejdelší dobu, ideálně dosáhnout nepřerušovaného režimu činnosti.

Národní fúzní zařízení DIII-D (National Fusion Facility), provozované Oddělením pro energii firmy General Atomics, je největším experimentem s magnetickou fúzí v USA. V současné době byla zahájena řada vylepšení tokamaku DIII-D, která umožní další studie fyziky budoucích termojaderných reaktorů. Vylepšený tokamak DIII-D pomůže vědcům zjistit, jak dosáhnout vysokého výkonu uvolněného jadernou fúzí v tokamaku ITER, který se staví ve Francii, a zejména jak udržovat co nejdelší dobu vysokovýkonné režimy v jaderných fúzních elektrárnách, které budou tokamak ITER následovat.

Stále je co vylepšovat

Plánovaná celoroční snaha vylepší systémy tokamaku DIII-D přidáním směrovaných výkonnějších svazků částic a systémů vysokofrekvenčního elektromagnetického záření, které budou budit elektrický proud v plazmatu a budou udržovat plazma pokud možno ve stavu nepřetržité činnosti (v ustáleném stavu). Vylepšení kupříkladu rozšíří možnosti instalace nových mikrovlnných systémů tak, aby zkoumaly podmínky hořícího plazmatu s vysokými teplotami elektronů. I to umožní vědcům zjistit, jak dosáhnout vyššího tlaku a teplot při současném udržení kontroly nad plazmatem, což je podmínka, která je rozhodující pro „ustálenou“ fúzi. "V našich posledních kampaních se DIII-D stal průkopníkem mnoha klíčových technik pro ITER, zvládal plazmové nestability a rozvíjel zapalování a zhasínání fúzních plazmat," uvedl Richard Buttery, experimentální vědecký ředitel DIII-D. "Tyto nové možnosti nám poskytnou flexibilitu pro optimalizaci výkonu v reaktorovém měřítku a vytvoří základ pro ustálenou fúzi uvolňující komerční energii."

USA chtějí být leaderem v projektu ITER

Projekt tokamaku ITER je jedním z nejambicióznějších energetických projektů na světě a měl by ukázat proveditelnost uvolňování termojaderné energie v reaktorovém měřítku. Zařízení zapálí hořící plazma, které produkuje desetinásobek výkonu potřebného k jeho ohřevu a chlazení supravodivých magnetů, a udrží plazma po dobu 400 sekund. Stejně jako DIII-D bude mít tokamak ITER šroubovicové magnetické pole ve „tvaru koblihy s otvorem uprostřed“, které drží plazma horké více než 100 milionů stupňů a umožní slučování jader atomů spojené s uvolněním energie. Nové možnosti tokamaku DIII-D pomohou USA zaujmout čelnou úlohu v projektu ITER a mapovat cestu k budoucím elektrárnám s jadernou syntézou, aby vytvořily fúzi jako životaschopný a bohatý zdroj energie.

Tři nové vychytávky

Po prvním dlouhoetapovém provozování tokamaku DIII-D trvajícím více než pět let technici otevřou vakuovou komoru pro instalaci tří hlavních systémů. Mimoosový svazek neutrálních částic (NBI, Neutral Beam Injection) umožní vědcům řídit cíl a směr vstřikování vysokoenergetických atomů do plazmatu. Nové mikrovlnné systémy výrazně zvýší energii ohřevu elektronů. A nová ultra-vysokofrekvenční "helikonová" anténa pro rádiové vlny umožní testy slibné vysoce výkonné reaktorové technologie zajišťující ustálený elektrický proud v plazmatu.

Velká očekávání

Společně tento vývoj přinese bezprecedentní flexibilitu při objevování a zkoumání řešení budoucích reaktorů jaderné fúze. Očekává se, že vylepšená zařízení umožní vyrobit plazma s velmi vysokým tlakem zvláštního radiálního profilu, u kterého je k udržení fúzního výkonu potřebný elektrický proud v plazmatu generován samotným plazmatem – jevem známým jako "bootstrap" - který má také potenciál udržovat plazma libovolně dlouhou dobu. Jedním z úkolů tokamaku DIII-D bude zjistit, jak dosáhnout takovýchto samoudržitelných konfigurací. Jinými slovy, tokamak DIII-D se bude snažit třemi známými způsoby (svazek částic, elektromagnetické vlnění a bootstrap) vybudit ustálený elektrický proud v plazmatu, který se standardně generuje pulzně elektromagnetickou indukcí. Rozdílem od dosavadních více či méně úspěšných snah jsou značné rozměry tokamaku DIII-D a intenzita neinduktivního buzení elektrického proudu v plazmatu. "Znalosti získané během příští etapy budou zásadní pro vývoj dalšího kroku pro americký fúzní program a pro naše zahraniční spolupracovníky," řekl David Hill, ředitel tokamaku DIII-D. "Cesta ke komerční fúzi bude vyžadovat konstrukci zařízení, které by mohlo využít libovolně dlouho trvajících hořících plazmat. To budeme zkoumat na DIII-D."

Nový projekt na DIII-D přitáhl stovky spolupracovníků z více než 100 institucí po celém světě. Zatímco se vylepšení na zařízení montují, vědci z DIII-D budou zaměstnáni analýzou dat z nedávných výstřelů a hledat nové jevy, které lze použít pro ITER a další pokročilé koncepce fúze.