Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 381

Průlom na tokamaku DIII-D. Zbystřete!

Režimy typu „Super H Mode“ demonstrují zlepšenou výkonnost fúze a umožňují zásadní krok směrem k ekonomické fúzní energii. Pokud Američané něco označí za „super výsledek“, bývá to zpravidla návnada pro sponzory. Ovšem pod zprávu z 24. června se podepsala společnost General Atomic, článek uveřejnil prestižní časopis Nuclear Fusion a je tedy na místě zbystřit pozornost. Mohlo by se totiž jednat o dramatické snížení nákladů a velikosti budoucích jaderných fúzních reaktorů.

Fotogalerie (2)
Plazma ve tvaru písmene D v experimentech s režimem Super H na tokamaku DIII-D je schopno dosáhnout teploty iontů více než 30 milionů stupňů v oblasti podstavce (žluté oblasti příčných řezů), což umožňuje plazmě jádra (oranžové oblasti), dosáhnout optimál

Výzkumní pracovníci a spolupracovníci General Atomics (GA), kteří pracují na tokamaku DIII-D National Fusion Facility, popisují experimenty zkoumající nový pokročilý provozní režim pro fúzní reaktory, který by mohl představovat významný krok směrem ke stavbě téměř neomezeného bezuhlíkatého zdroje energie. Režim Super-H, jak vědci tento přístup označují, umožňuje tokamakům dosáhnout vyššího výkonu fúze než dříve. V nedávných experimentech pracujících v režimu Super H-Mode a v jeho blízkosti dosáhli vědci rekordních hodnot fúzního zisku pro zařízení velikosti tokamaku DIII-D. Fúzní zisk je poměr generovaného fúzního výkonu k topnému příkonu. „Naše nejnovější experimenty měly velmi povzbudivé výsledky, takže je zřejmé, že tu je významný potenciál, jak posunout praktickou fúzní energii o krok blíž k realitě,“ řekl Phil Snyder, ředitel Theory and Computational Science Group v GA ze San Diega, který ve smluvním režimu pro americké Ministerstvo energetiky (DOE, Department of Energy) provozuje DIII-D jako národní uživatelské zařízení. „Je to velmi vzrušující jak z hlediska vědeckého, tak z hlediska budoucnosti fúze.“

Profesor Steven Cowley (už jsme o něm psali), ředitel laboratoře pro fyziku plazmatu v Princetonu (Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL), prohlásil, že nový objev je pro společenství jaderné fúze mimořádně důležitý. „Režim Super-H slibuje snížení nákladů a rozměrů budoucích jaderných reaktorů, čímž se přiblíží realizace fúze,“ řekl Cowley, který se výzkumu nezúčastnil. „Stěží jsme mohli čekat významnější objev.

Splnila se předpověď

Vědci se snaží vyvinout účinnější metody udržení plazmatu při teplotách a tlacích nezbytných pro ekonomické uvolňování energie fúzí. Snyder a jeho kolegové z GA - spolu s profesorem Howardem Wilsonem a jeho výzkumnou skupinou na University of York a Culham Center for Fusion Energy (UK) - vyvinuli teoretický model, který režim Super H-Mode předpovídal. Zjištění poskytnutá modelem byla potvrzena řadou rekordních experimentů na tokamaku DIII-D a tokamaku Alcator C-Mod (již odstaven) v MIT (Massachusetts Institute of Technology). Práci odvedl multi-institucionální tým z GA, MIT, Princeton, LMU Mnichov, Lawrence Livermore National Laboratory, University of Wisconsin, College of William and Mary, a University of California, Irvine.

Jak to funguje

Režim Super-H funguje tak, že zvyšuje teplotu a tlak ve vnější oblasti plazmatu, nazývané podstavec (pedestal). Experimenty ukázaly - jak teorie předpovídala -, že správné vyladění tvaru a hustoty plazmatu vede k teplotám podstavce a tlakům, které jsou více než dvojnásobné než u podstavců typických. Vzhledem k tomu, že stav plazmatu v jádru, kde dochází k fúzi, je závislý na podmínkách na hranici plazmatu, umožňuje režim Super-H až čtyřnásobné zvýšení výkonu při fúzi. „Když naše výpočty poprvé předpověděly existenci režimu Super-H, mysleli jsme si, že to může být jen teoretická kuriozita,“ řekl Snyder. „Ale brzy jsme si uvědomili, že s vhodným řízením by Super H-mód mohl být uskutečněn i experimentálně.“ „Výzkum v oblasti energie z jaderné fúze historicky postupuje s trvalým a výrazným zlepšováním v průběhu času,“ řekl David Hill, ředitel DIII-D. „Není často vidět výrazný skok ve výsledcích, jakého jsme nyní svědky v režimu Super-H. Tento objev má významné důsledky pro budoucí fúzní elektrárny a jsme nadšeni z toho, jak daleko by mohl posunout objev fúzi dopředu.“

O polovinu vyšší fúzní zisk

DIII-D, stejně jako většina vědeckých experimentů zkoumajících fúzi, používá čisté palivo – deuterium (neboli „DD“), protože je levné a snadno se s ním pracuje. Fúzní elektrárny budou používat směs deuteria-tritia (neboli „DT”), protože má mnohem vyšší pravděpodobnost fúze než DD. Pokud by plazma DIII-D v experimentech v režimu Super H bylo vyměněno za palivo DT, produkovalo by více než 4 miliony wattů (4 MW) fúzního výkonu. To odpovídá fúznímu zisku (značí se Q) – poměru produkovaného fúzního výkonu k tepelnému příkonu, který je injektován do plazmatu, - asi o ½ vyššímu, než bylo vůbec kdy dosaženo na DIII-D nebo jiných tokamacích podobné velikosti.

Tyto vysoké hodnoty zisku z fúze v zařízení se skromným rozměrem spolu s novými technologiemi, jako jsou supravodivé magnety s vysokým polem, zvyšují vyhlídky na rozvoj energie z jaderné fúze jako v podstatě neomezeného a ekologicky přitažlivého zdroje energie. Mimochodem, jsou to přesně táž slova, kterými se chlubí většina privátních společností slibujících fúzní elektrárnu do pěti let!

Míra efektivní velikosti

Udržení fúzního plazmatu v tokamaku je umožněno třemi klíčovými složkami: fyzickou velikostí zařízení v metrech „m“ (charakterizovanou „malým poloměrem“ tokamaku), magnetickým polem v teslách „T“ a elektrickým proudem v plazmatu v megaampérech „MA“. Vynásobením těchto tří parametrů se získá míra „efektivní velikosti (ev)“ zařízení. Zvýšení této efektivní velikosti (čili zvětšením alespoň jednoho z parametrů) se zvyšuje výkon, ale také se zvyšují náklady a zvětšují technické problémy spojené se stavbou a provozem zařízení. Zvětšením rozměru a magnetického pole se zvětšuje doba udržení plazmatu, zvětšováním elektrického proudu se může zvýšit teplota plazmatu. Co tokamak, to jiné ev. Snahou je z pokud možná laciného zařízení získat co největší fúzní výkon, neboť ten se později bude měnit na elektřinu. Čím bude fúzní elektřina lacinější, tím bude konkurenceschopnější. Samo zařízení bude lacinější, bude-li menší, bude-li mít slabší magnetické pole nebo menší elektrický proud v plazmatu, jinými slovy bude-li mít menší součin vyjmenovaných tří parametrů, což není nic jiného, než menší efektivní velikost ev.

Relativně velký fúzní výkon mají zařízení s velkým fúzním ziskem Q, to je s velkým poměrem fúzního výkonu a ohřevového příkonu. Takže nákladově efektivní fúzní výkon (za málo peněz hodně muziky), to je poměr fúzního zisku Q a efektivní velikosti ev, tedy Q/ev, zvětšíme tak, že zvětšíme čitatele nebo zmenšíme jmenovatele nebo oboje současně. Nedávné experimenty na tokamaku DIII-D dosáhly při fúzi deuteria a tritia (fúzi DT) poměrů Q/ev v pulzním režimu 21 %/m MA T [procenta/(metr×megaampér×tesla)] a při režimu stacionárním 8 %/(m MA T). Vzhledem k menšímu fúznímu výkonu ve stacionárním režimu oproti režimu pulznímu je ve stacionáru menší Q a tudíž i menší poměr Q/ev, zde 21 oproti 8.

Upřesnění k obrázku: Během experimentů je plazma DIII-D nejteplejším místem ve sluneční soustavě, mnohem teplejším než jádro Slunce. Podstavec a jádro jsou jako pyramida s jedním patrem. Přízemí je podstavec (žlutá) a patro je jádro (oranžová) – tak nějak by profil hustoty plazmatu vyhlížel v poloidálním (na obrázku ve vodorovném) směru.

Pro více informací navštivte www.ga.com/diii-d.

Milan Řípa
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Jak schovat zlaté nobelovské medaile

Udělování Nobelových cen bylo v průběhu jejich téměř stodvacetileté historie doprovázeno řadou až bizarních událostí. Dvě zlaté medaile byly dokonce rozpuštěny v kyselinách. Tato zajímavá příhoda se váže k maďarskému chemikovi šlechtického původu Györgye ...

Praha počítá se vznikem vodních ploch a výsadbou stromů

Praha nepodceňuje přípravu na extrémní sucho, které v následujících měsících předpovídají meteorologové. Rada města počítá s rozsáhlými revitalizačními projekty. V ulicích tak bude zeleň zavlažována průsakovou vodou z kolektorů (psali jsme v článku https://www.

Termojaderná fúze na rozcestí

Kdy už je termojaderné zařízení ziskové? To nám prozradí Lawsonovo kritérium: součin hustoty plazmatu a doby jeho udržení (stability) musí být dost velký, zhruba 1020 s.m-3. Pro spojitou činnost udržujeme plazma v omezeném prostoru silným magnetickým ...

Existuje hypotetická částice X 17?

Fyzika nás učí, že existují 4 základní interakce, tedy přírodní síly, které vše ovládají a vysvětlují konstrukci světa dle současného stavu poznání - gravitace, elektromagnetická síla, slabá a silná interakce. Zdá se, že vědci jsou na stopě páté fundamentální přírodní síly.

Proč komáři koušou zrovna vás

Někteří lidé mohou sedět venku celé léto a komáři na ně takzvaně „nejdou“. Jiní se objeví za letního večera venku a okamžitě si musejí škrábat komáří kousance, přestože se koupali v repelentu. Co s tím? Důvodem je většinou neviditelná chemická clona ve vzduchu kolem nás.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail