První plazma čínského tokamaku HL-2M

Čína oznámila, že tokamak HL-2M vyrobil 4. prosince 2020 svoje první plazma! I tento čínský nováček se snaží připravit půdu pro ITER, mezinárodní tokamak, který se staví v jižní Francii a má být prvním, který vyrobí víc energie, než kolik se do reakce vloží. První plazma v ITER se očekává v roce 2025.

HL-2M je středně velký tokamak s měděnými vodiči v cívkách, který ohřívá plazma v Jihozápadním fyzikálním ústavu – Southwestern Institute of Physics (SWIP) v čínském Čcheng-tu. Projekt HL-2M byl schválen Čínským úřadem pro atomovou energii v roce 2009 a byl nezávisle navržen a zkonstruován Jihozápadním fyzikálním institutem, který je součástí China National Nuclear Corporation (CNNC). Jedná se o zcela nový stroj s některými systémy upgradovanými z tokamaku HL-2A, který je v provozu od roku 2002. Čína se pyšní dalšími dvěma tokamaky, kterými jsou moderní první celosupravodivý tokamak na světě (EAST) v Hefei Institutes of Physical Science Čínské akademie věd (CASHIPS) v Hefei a tokamak J-TEXT na Huazhong University of Science and Technology (HUST).

Tokamak HL-2A

Vakuová komora a cívky magnetického pole patřily původně německému tokamaku ASDEX a HL-2A byl prvním čínským tokamakem s divertorem. Zkratka HL pochází ze z čínského názvu pro prstenec, torus – Huan-Liu. Čínští vědci se na HL-2A učili tokamakovou abecedu: udržení plazmatu v toroidální nádobě, seznamovali se s MHD nestabilitami, s ošetřováním stěn komory, ohřevem či buzením elektrického proudu v plazmatu. Tokamak mohl fungovat s jedním nebo se dvěma X-body, jinými slovy mohl použít dolní nebo dolní a horní divertor současně. Původně uzavřený divertor se později změnil na otevřený. K ohřevu plazmatu používal HL-2A nadzvukovou rychlostí vstřelovaný molekulární svazek či palivové pelety.

Tokamak HL-2M

Tokamak HL-2M je navržen tak, aby plazmatem tekl elektrický proud 3 MA (HL-2A vybudil „pouze“ 0,5 MA) a dosáhl teplotu iontů přes 150 milionů stupňů Celsia. „Doba zadržení energie v mezinárodních tokamacích je kratší než jedna sekunda. Doba trvání výboje HL-2M je přibližně 10 sekund, přičemž doba udržení energie je několik stovek milisekund,“ řekl Yang Qingwei, hlavní inženýr společnosti HL-2M. (Prosím pozor - doba udržení energie je něco zcela jiného než doba trvání plazmatického výboje! Udržení energie závisí na kvalitě izolace, zatímco doba trvání plazmatického výboje je principiálně neomezená.)

HL-2M má posílit postavení Číny v projektu ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), a to v oblastech výzkumu okrajového plazmatu, včetně nestability toku a magnetických jevů plazmatu ultravysokých teplot.

HL-2M s flexibilním divertorem

S flexibilním divertorem, novou sadou cívek toroidálního pole a tvarovaným plazmatem se zlepšenou stabilitou by měl HL-2M přispívat k vědecké a technické optimalizaci tokamaku ITER včetně důležitých informací o jeho škálování. Divertor je část vakuové komory, na kterou plnou silou dopadá plazma, které k němu sklouzne po otevřených okrajových silokřivkách. Na třech terčích pokrytých wolframem se případné nečistoty deionizují a jsou odsáty mohutným vývěvovým systémem. Divertor tak čistí plazma a snižuje tepelné ztráty plazmatu. Flexibilita divertoru tokamaku HL-2M umožňuje hledat tvar a sklon divertorových terčů, tak, aby co nejlépe plnily svoji funkci a současně odolaly desítkám megawattů dopadajícího plazmatu.

V krátké době tu máme třetí, po evropském JET a japonském JT 60SA, tentokrát čínský tokamak podporující rodící se tokamak ITER.

Historie tokamakového výzkumu v Číně

Čína zahájila výzkum jaderné fúze v 60. letech. Postavila HL-1 (upgrade HL-1M) ve SWIP a další malé tokamaky, jako je KT-5 na Čínské univerzitě věd a technologie – University of Sciences and Technology of China (USTC) a modernizovaný CT-6B ve Fyzikálním ústavu Čínské akademie věd – Institute of Physics of the Chinese Academy of Sciences (IP CAS) v Pekingu a také první domácí supravodivý tokamak, středně velký tokamak HT-7 v (CASHIPS) v Hefei. HT-7 byl dovezen ze Sovětského svazu jako první částečně supravodivý tokamak na světě, když Praha nabídku Moskvy na převzetí T-7 odmítla.

Čína, the first!

To vše připravilo cestu pro China Fusion Engineering Testing Reactor (CFETR), jehož předběžný koncepční návrh byl dokončen v roce 2015 a práce na inženýrském designu byly zahájeny v roce 2017. CFETR je určen pro provoz v ustáleném stavu a také pro provoz s tritiem. V první fázi by měl mít fúzní výkon 200 MW a ve druhé fázi by měl mít výkon dokonce 1 GW (ITER počítá s výkonem 500 MW). Jeho cílem je překlenout fúzní experimentální mezeru mezi ITER a DEMO - navrhované první jaderné fúzní elektrárny, která by se měla stavět, pokud ITER uspěje. DEMO je považováno za další krok k první komerční elektrárně svého druhu. CFETR počítá, že DEMO bude podporovat.

Pokroky mimo Čínu

Spojené království a Jižní Korea nedávno oznámily další milníky v jaderné fúzi. V říjnu dosáhl kulový tokamak MAST-Upgrade v Culhamu prvního plazmatu po sedmileté rekonstrukci. V listopadu oznámil jihokorejský Národní institut pro výzkum fúze – National Fusion Research Institute (NFRI) - plazmový rekord poté, co se jeho celosupravodivému tokamaku K-STAR podařilo plazma po dobu 20 sekund provozovat při 100 milionech stupňů Celsia.