Tokamak JET V ROCE 2020

Tokamak (původem ruský) je v současnosti jediným pokusným zařízením schopným vyvolat termojadernou reakci na Zemi. Jediný tokamak schopný termojadernou reakcí uvolnit významné množství fúzního výkonu (a největší současný tokamak v provozu) je evropský tokamak JET v anglickém Culhamu. Podařilo se mu to v tzv. DT (deuteriové-tritiové) kampani v letech 1991 až 1997. Jednalo se o dvě důležité věci: o principiální důkaz uskutečnitelnosti DT reakce na Zemi a o světovou prioritu, kdy soupeřila Evropa se Spojenými státy. JET opravdu protrhl fúzní pásku jako první (použil 90 % deuteria : 10 % tritia). V roce 1993 následoval americký tokamak TFTR s poměrem DT 50:50 a jeho výkon 10 MW překonal v roce 1997 tokamak JET dodnes trvajícím rekordním výkonem 16,5 MW. Nicméně poměr uvolněného fúzního výkonu a ohřevového příkonu byl menší než jedna: Q = 0,65, takže se fúzní reakcí získaly ani ne dvě třetiny energie, kterou bylo potřeba do uskutečnění reakce vložit. Tokamak TFTR Američané v roce 1996 rozmontovali. Zdolat fúzní Mont Everest znamená překonat hranici Q = 1!

V roce 1991 byl JET prvním zařízením, které produkovalo značné množství energie z fúze deuteria s tritiem (reakce DT). O šest let později vyvrcholila DT kampaň výstřelem o fúzním výkonu 16,5 MW a dalšími méně citovanými výstřely (ale o to významnějšími pro budoucnost fúze): sérií pěti sekundových, čtyřmegawatových stacionárních výstřelů ve vysokoudržitelném režimu H-mód, které vytvořily základ pro extrapolaci k tokamaku ITER. S výjimkou experimentů se stopovým množstvím tritia v roce 2003 bylo v kampani DT na JET v devadesátých letech minulého století naposledy použito skutečného fúzního paliva v evropském zařízení.

ITER potřebuje JET jako předskokana

Vzhledem k tomu, že Organizace ITER se v roce 2025 připravuje na nastavení tokamaku ITER pro první plazma, zatím nefúzní, JET se připravuje na další kampaň DT, tentokrát v odlišném kontextu a s jinými cíli než byla kampaň v devadesátých letech. „V roce 1997 se JET zaměřil na získání maximálního výkonu a dělal to v podmínkách, které plně nereprezentovaly provoz ITER,“ vysvětluje Xavier Litaudon, vedoucí Oddělení fyziky ITER v EUROfusion. „Dnes doba pokročila a my spíše než o špičkový výkon usilujeme o stabilitu plazmatu. Budeme pracovat v provozních podmínkách, jaké budou na tokamaku ITER.“ V roce 2020 se má po více než dvaceti letech v lidmi vyrobeném pozemském zařízení znovu objevit jaderná reakce, která se jinak vyskytuje pouze v jádru hvězd. JET má nyní nově stěnu vakuové komory z berylia a divertor pokrytý pláštěm z wolframu. Je jediným tokamakem, který má stejné materiálové vybavení vakuové komory, jako bude mít tokamak ITER.

Cíl je stanoven

Navzdory technickým omezením lze nyní tokamak JET  popsat jako „zařízení podobné tokamaku ITER“ a zpětná vazba z budoucí DT kampaně bude mít obrovskou hodnotu pro rodící se ITER. „Cílem kampaně DT 2020, je vytvoření plazmatu, které po dobu 5 sekund generuje přibližně 15 MW energie z jaderné fúze,“ vysvětluje Litaudon.

Eliminace disrupcí

Rozvoj nestability tokamakového plazmatu může vést k totálnímu kolapsu tokamakového plazmatu s nepříjemnými důsledky. Mohou se objevit ubíhající elektrony, které roztaví první stěnu a způsobí únik chladicí vody. Zhoubná nestabilita takového typu se nazývá disrupce. Poradní výbor pro vědu a technologii (ITER Council Science and Technology Advisory Committee, STAC) Rady ITER charakterizoval na svém zasedání v květnu roku 2018 disrupci jako „vážnou hrozbu pro splnění cílů projektu ITER“. Ačkoli byl dlouho uznávaný jako klíčový, systém pro potlačení disrupcí v tokamaku ITER se ukázal jako konstrukčně příliš náročný kvůli složité fyzice zahrnující brzdění ubíhajících elektronů.

Byly vyvinuty dva způsoby, které pomáhají snížit účinky disrupce, a to na základě milisekundové dodávky materiálu dovnitř plazmatu. Jedním z nich je vstřikování masivního množství plynu do plazmatu, druhým je vstřelování zmrzlých plynových detonujících pelet. Pelety se těsně před vstupem do vakuové komory roztříští na malé kousky a lépe tak plní svoji funkci potlačení disrupce.

Největší pelety budou větší než korková zátka vinné láhve – dosáhnou průměru 28 mm. Navzdory této „obrovské“ velikosti je třeba vystřelit několik kryogenních pelet současně, aby se dosáhlo požadovaného množství účinného materiálu (nečistot) v plazmatu a zastavil se nejnebezpečnější svazek ubíhajících elektronů. Nově navržené uspořádání systému potlačení disrupce ITER umožňuje vstřikování až 32 pelet z rovníkových portů ve třech různých azimutech a tři pelety z různých míst horního věnce portů.

JET musí ověřit, že to funguje

Aby se zjistilo, zda injekce vybuchujících pelet (shattered pellet injection, SPI) je opravdu tou správnou technologií, která může být využitelná pro ITER, bude značná část budoucí DT kampaně na tokamaku JET věnována testování vstřikovače pelet vyvinutého v National Laboratory Oak Ridge (ORNL) amerického ministerstva energetiky (Department of Energy, DOE). O významu SPI svědčí Dohoda o spolupráci s účastníky ITER Organization, US ITER Project Office, Fusion and Materials for Nuclear Science Division ORNL, EURATOM (včetně konsorcia EUROfusion, které je odpovědné za vědecký program JET) a Culham Centre for Fusion Energy (provozovatel zařízení JET), která byla podepsána za účelem vybudování, instalace a ovládání systému SPI pro zmírnění disrupcí v tokamaku JET. Testování systému vstřikování detonujících pelet v tokamaku JET bude zahájeno v květnu 2019. Na testování vstřikovacího systému se bude dále podílet korejský tokamak KSTAR, a to studiem účinků dvojitého vstřiku pelet v podobném uspořádání, jako bude mít ITER.

Výkonové zkoušky JET

V letech 2015-2016 prošel JET v přípravě na nadcházející DT operace osmnáctidenní technickou zkoušku s vodíkovým a deuteriovým plazmatem. „Při extrapolaci množství neutronů vyrobených během těchto experimentů můžeme odhadnout, že pokud bychom použili skutečné jaderné palivo, získali bychom na několik sekund 8 MW výkonu. Je to asi polovina výkonu a polovina doby, kterou očekáváme od kampaně roku 2020.“ Litaudon uznává, že „to bude obtížné“ a že stroj „bude pracovat na, nebo spíše za hranicí svých možností“. Asi 40 MW ohřevové energie bude vstřikováno do plazmatu DT systémem iontového cyklotronového ohřevu (ICRH) o výkonu 5 až 6 MW, zbytkem ze „starého“, ale významně modernizovaného systému vstřikování svazku neutrálních částic (NBI), který byl již použit v v roce 1997 a je podstatně méně výkonný než bude svazek neutrálních částic (NBI) na tokamaku ITER.

Premiéra čistého tritia

Před vstupem do fáze se směsí DT bude JET experimentovat s plazmatem „čistého tritia“ - poprvé v historii výzkumu fúze. Vzhledem k jaderné struktuře tritia (jeden proton, dva neutrony) je čisté tritiové plazma těžší než plazma s deuteriem (jeden proton, jeden neutron). Zavedením čistého tritiového plazmatu a interpolací výsledků jak deuteriového, tak tritiového plazmatu získáme mnohem přesnější představu o chování skutečného plazmatu DT.

Prodloužení života JET

Do konce kampaně v roce 2020 dosáhne tokamak JET - tou dobou již „ctihodná“ instalace - kanonického věku (alespoň pro tokamaky) 36 let (po splnění termínu, dodržení plánované ceny a překročení projektovaných parametrů to bude další vítězství konstruktéra JET Henriho Rebuta). Logicky by měl konec kampaně znamenat i konec JET, ale pracuje se na prodloužení jeho životnosti nejméně do roku 2024. Zařízení můžeme ještě více připodobnit tokamaku ITER. A pokud kolegové na projektu ITER přijdou s další otázkou nebo hypotézou, chceme být schopni odpovědět: „Žádný problém, nechte to otestovat na JET...“ Udržení tokamaku JET v činnosti po roce 2020 také znamená, že bude k dispozici stroj pro školení provozovatelů ITER - což je jednou z klíčových otázek pro EUROfusion. „Za deset let mohou dokonce i ti nejlepší inženýři a fyzici ztratit své znalosti a dovednosti, pokud je neotestují.“

Injektor zmrazených detonujících pelet: Předběžné uspořádání osmi trysek v jedné třetině koncového konektoru. Instalace zahrnuje (zprava doleva) ventil hnacího plynu, kryostat pelet, monitor integrity pelet, primární vakuový uzavírací ventil a vlnovec na uzavírací desce konektoru pro mechanické oddělení od vakuové komory. Na konci průletové trubice uvnitř zásuvné části do portu bude ohyb zajišťovat rozprsknutí pelety na fragmenty, pro lepší pohlcení plazmatem. (Credit © ITER Organization, http://www.iter.org/)