Tomu pomůže, tomu ublíží

Cílem studia jaderné fúze je vývoj elektrárny neovlivňující klima a životní prostředí. Rozumí se - neovlivňující záporně. Jde o to, jak uvolnit energii sloučením lehkých atomových jader, stejně jako na Slunci. Vzhledem k tomu, že fúzní oheň potřebuje k zapálení teplotu, která přesahuje 100 milionů stupňů, palivo - vodíkové plazma s nízkou hustotou - by nemělo přicházet do kontaktu s chladnými stěnami vakuové nádoby. Plazma izoluje od stěn vakuové nádoby magnetické pole. Je jakoby „zavěšeno“ uvnitř vakuové komory, jejíchž stěn se téměř nedotýká. Způsoby vytvoření magnetického pole se různí. Pojďme se blíže podívat na stelarátor.

Magnetická nádoba stelarátoru Wendelstein W7-X je vytvořena prstencem 50 supravodivých magnetických cívek vysokých 3,5 metru. Jejich speciální tvary jsou výsledkem komplikovaných optimalizačních výpočtů. Ačkoli Wendelstein W7-X nebude ještě vyrábět energii, doufá, že dokáže, že stelarátory jsou pro použití v elektrárnách vhodné. Cílem Wendelsteinu je poprvé dosáhnout ve stelarátoru kvalitu izolace, kterou poskytují konkurenční zařízení typu tokamak. Má také prokázat základní výhodu stelarátorů, tj. jejich schopnost pracovat v kontinuálním režimu.

Úspěšná optimalizace

Výpočet tvaru cívek vycházel z vyhodnocení experimentálních dat z první experimentální fáze od prosince 2015 do března 2016. Ukazuje se totiž, že i bootstrapový proud se chová podle očekávání. Tento elektrický proud je vyvolán rozdíly tlaku v plazmatu a může narušit optimalizované magnetické pole. Částice z okraje plazmatu by pak již nepronikly do správné oblasti divertoru. Bootstrapový proud ve stelarátorech by proto měl být co nejmenší. Analýza nyní potvrdila, že to bylo skutečně dosaženo optimalizovanou geometrií magnetických polí. "Takže již v první experimentální fázi bylo možné ověřit důležité aspekty optimalizace", uvádí první autor Dr. Andreas Dinklage. "Přesnější a systematické hodnocení bude následovat v dalších experimentech s mnohem vyšší tepelnou energií a vyšším tlakem plazmatu."

Bootstrap

Jak známo, tokamak je zatím daleko nejúspěšnějším experimentálním zařízením pro studium pozemské termojaderné fúze. Funguje na principu transformátoru a je tudíž z principu pulzním zařízením. Z hlediska energetického využití to není, co by nás těšilo. Po každém skončení pulzu znovu vytvářet plazma, znovu ho ohřívat, znovu vybudit termojaderné slučování. Pokusů, jak eliminovat induktivní charakter činnosti tokamaku, bylo několik a stále se nenašel způsob, jak zajistit v plazmatu nepřetržitý uspokojivě velký elektrický proud. Dokonce i na prvním československém tokamaku CASTOR se dlouho studoval neinduktivní způsob buzení toroidálního elektrického proudu a světový rekord osmdesátých let minulého století neinduktivně vybuzeného elektrického proudu na prvním supravodivém tokamaku, sovětském T-7, pomocí československého „grilu“ je jednou z důležitých kapitol těchto pokusů. Dnes se studují v podstatě tři způsoby: tangenciální (tečný) vstřik neutrálních vysokoenergetických částic (NBI - Neutral Beam Injection), ohřev mikrovlnnou energií a bootstrap. Poslední je připomenutím vyprávění barona Prášila, který se dokázal z bažiny dostat i se svým koněm, když se vytáhl za přezky vysokých jezdeckých bot (bootstraps). Ve skutečnosti není bootstrapový elektrický proud žádný zázrak, ale důsledek speciálního profilu tlaku plazmatu napříč „malým“ poloměrem prstencové magnetické nádoby.

Zatímco u tokamaku je bootstrap jednou z nadějí, jak neinduktivně vybudit elektrický proud v plazmovém prstenci (a fyzikové se snaží v tokamaku o co největší a nejdéle trvající bootstrapový proud), pak u stelarátoru je tomu naopak. Bootstrapový proud může narušit pečlivě a složitě konstruovanou magnetickou nádobu stelarátoru, tudíž je zde zcela nevítaným hostem! Co jednomu pomůže, druhému ublíží.

Vylepšení Wendelsteinu W7-X

Stelarátor Wendelstein W7-X byl od září minulého roku podstatně vylepšen. Nové vybavení 8 000 uhlíkovými obkladovými deskami a deseti divertorovými moduly mu umožňuje pracovat s vyššími teplotami a delšími pulzy plazmatu. Divertorem je možné kontrolovat čistotu a hustotu plazmatu: dlaždice divertoru sledují zkroucený povrch hranice plazmatu ve formě deseti širokých pásů podél stěny vakuové nádoby. Tímto způsobem se chrání povrch stěn, na které unikají částice z okraje plazmového prstence. Spolu s nečistotami jsou zde dopadající částice neutralizovány a odčerpány. "První zkušenosti s novými stěnovými prvky jsou velmi pozitivní", říká profesor Dr. Thomas Sunn Pedersen. Zatímco do konce první kampaně bylo dosaženo délky impulsů šest vteřin, nyní plazma trvá až 26 sekund. Konečný cíl je ovšem 30 minut! Do plazmatu může být nyní přiváděna tepelná energie až 75 megajoulů, což je 18krát více než v první fázi provozu bez divertoru. Výkon ohřevu by se mohl zvýšit, což je předpokladem dosažení vysoké hustoty plazmatu.

Trojný rekord

Výše popsanou modernizací byla dosažena rekordní hodnota tzv. trojného součinu. Trojný součin teploty iontů, hustoty plazmatu a doby udržení energie určuje, jak blízko se dostává reaktor k hodnotám potřebným k zapálení plazmatu. Při teplotě iontů asi 40 miliónů stupňů a hustotě 0,8·10²⁰ částic na metr krychlový Wendelstein W7-X dosáhl fúzního součinu, který nabyl úctyhodných 6·10²⁶ stupňů x sekundy na kubický metr, což je u stelarátorů světový rekord. "Je to vynikající hodnota pro zařízení této velikosti, dosažená navíc za realistických podmínek, tj. při vysoké teplotě iontů plazmatu", říká profesor Sunn Pedersen. Doba udržení energie, která je měřítkem kvality tepelné izolace magneticky udržovaného plazmatu, se pyšní impozantními 200 milisekundami, což napovídá, že počítačová optimalizace, na níž je Wendelstein W7-X založen, by mohla fungovat: "Rekordní hodnota trojného součinu je zdrojem optimismu pro naši další práci. "

Fúzní/trojný součin je součin hustoty, teploty a doby udržení energie

Jednoduchá nerovnost zvaná podle svého autora Lawsonova tvrdí, že má-li být fúzní reakce zisková, musí být součin hustoty plazmatu a doby udržení energie větší než číslo závislé na teplotě plazmatu a druhu reakce. Vzhledem k tomu, že pravá strana nerovnosti se vyznačuje v závislosti na teplotě plazmatu minimem, lze zvolit teplotu, kdy levá strana nerovnosti je nejmenší. Pro reakci deuterium-tritium v rozmezí teplot 100 až 200 miliónů Kelvinů lze Lawsonovu nerovnost napsat ve tvaru hustota × doba zdržení × teplota je větší než konstanta. Levou stranu bývá zvykem jmenovat právě fúzním čili trojným součinem.

Místo grafitu uhlík (Carbon Fibre Composit, CFC)

Od konce roku 2017 byl Wendelstein W7-X dále vylepšen: byl vybaven novým měřicím zařízením a ohřevovým systémem. Pokusy s plazmatem měly být obnoveny v létě. Hlavní modernizace je naplánována na podzim roku 2018. Dosavadní grafitové dlaždice divertoru nají být nahrazeny vyztuženými uhlíkovými vlákny, které jsou navíc chlazeny vodou. Musí umožnit trvání výboje až 30 minut, během kterých lze ověřit, zda Wendelstein W7-X trvale splňuje i své původní optimalizační cíle.