Jak udržet slunce v hrsti

Velkým problémem vývoje zařízení pro jadernou fúzi je tzv. „první stěna“. Jde o materiál, který je v přímém styku se žhnoucím plasmatem při zažehnuté jaderné fúzi. Odolnost stěn, mezi nimiž se pohybuje plasma, limituje výkon fúzního zařízení. Stěna se vysokými teplotami poškozuje a její časté vyměňování není ekonomicky schůdné. Pro fúzní reaktor ITER, který je právě ve výstavbě v jižní Francii, probíhá v této souvislosti intenzivní materiálový výzkum.

Fúzní plasma má teplotu vyšší než 100 milionů stupňů. Ve správném režimu se stěn nedotýká, protože jej drží magnetické síly. Jsou však místa v reaktorové komoře, např. divertor (místo, odkud se odvádějí zplodiny fúzní reakce), kde na stěnu nádoby působí víc než 1000 ^oC. Při určitých stavech plasmatu se mohou vyskytnout i další problémy. Neutrony s obrovskou energií produkované fúzní reakcí poškozují krystalovou strukturu materiálu první stěny a způsobují aktivaci. Navíc při spalování tritia a deuteria se může radioaktivní tritium usazovat na stěně. Jakékoliv nečistoty, které by se ze stěny mohly uvolnit, kontaminují plasma a zhoršují jeho vlastnosti, neboť cizí atomy absorbují energii. Efekt by byl tím horší, o čím těžší atomy by šlo. Většina současných experimentálních fúzních zařízení používá ocelovou stěnu chlazenou vodou a vyloženou karbonovými dlaždičkami.

Možnosti

Uhlík je materiál s extrémní tepelnou odolností, lehké atomy uhlíku neohrožují výkon plasmatu, ale stěna z uhlíku bohužel zachytává tritium. Wolfram je kov s velmi vysokým bodem tání, ale jako prvek s těžkými atomy by mohl způsobovat „ušpinění“ plasmatu. Berylium je lehký kov, který neabsorbuje tritium a je dostatečně odolný proti vysokým teplotám, jeho prach je však vysoce toxický.

První experimentální zařízení, které pracuje s wolframovou stěnou, je německý ASDEX Upgrade v Garchingu u Mnichova. Nově má nyní zkoušet stěnu z berylia a wolframu, která se připravuje pro budoucí ITER.

Nové materiály

Kromě zkoušek beryliových materiálů se vyvíjejí i materiály nové. Možnosti využití nabízejí např. karbidy křemíku (silicon‑carbides), speciální slitiny nízkoaktivovatelných ocelí či koncepce stěny z tekutého kovu. Zda jsou vhodné, to se ukáže až při jejich testování v reálných podmínkách jaderné fúze. Společně s reaktorem ITER se buduje i testovací zařízení Mezinárodní ozařovna pro fúzní materiály (International Fusion Materials Irradiation Facility).

---

IFMIF

IFMIF je společným projektem EU, Japonska a USA a má stát v japonském Rokkasho. Základem budou dva silné urychlovače (každý asi 50 m dlouhý), produkující deuteriová jádra, která se v lithiovém terčíku změní na silný tok vysokoenergetických neutronů. Bude se testovat dlouhodobé chování materiálů za podmínek očekávaných v první stěně fúzního reaktoru.