Jaderná fyzika a energetika

Dosažení extrémně vysokého vakua uvnitř obrovské toroidální vakuové komory tokamaku ITER  je nezbytným předpokladem pro zahájení operací s plazmatem. Vakuum budou mít na starosti kryopumpy. ''Nikdo nikdy nevyrobil žádnou kryopumpu srovnatelnou s tímto strojem, '' říká vakuový inženýr ITER Roberto Salemme. Komponenta o délce 3,4 metru, hmotnosti 8 tun se právě testuje v laboratoři, kterou postavil vakuový tým ITER v Cadarache. Kvalita vakua potřebného pro ITER je v řádu 10^-11 atmosférického tlaku, což odpovídá tlaku v meziplanetárním prostoru, a toho nelze dosáhnout mechanickým čerpacím systémem. Existuje naštěstí jednoduchý fyzikální princip, který umožní převzít úlohu mechanických čerpacích strojů – rotačních vývěv -, když tyto dosáhnou svých hranic. A na něm je založena kryopumpa.

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.

Fúzní hladinu čeří mantra čerstvého podnikatelského povětří, které hodlá zkrotit Slunce na Zemi – zapálit termojadernou fúzi tak, aby poslouchala na slovo. Zní: kompaktní (= malé), laciné a do pěti let. Gigant, který se staví ve Francii, je veliký, drahý a nikdo neví, kdy bude hotov. Jejich slova prozrazují a) potřebu přemluvit investory, b) podcenění velkého soupeře, c) oboje dohromady. Ovšem když na stejnou notu zahraje Steven Cowley, zní melodie mnohem přitažlivěji, opravdověji a v každém případě zajímavě až překvapivě.

Hybridní reaktor kombinuje principy termonukleární fúze a jaderného štěpení. Jeho srdcem bude fúzní reaktor – tokamak, obklopený štěpným reaktorem chlazeným roztavenými solemi. Neutrony, produkované v tokamaku, se budou v zachytávat v blanketu (rozuměj v palivu štěpného reaktoru), kde budou štěpit thorium 232. Thoriové palivo je levnější a dostupnější než uran. Navíc oproti fúzním reaktorům nebude pro generování elektrické energie potřeba dosahovat tak vysokých teplot, jako u samotného fúzního. (O hybridních reaktorech jsme už psali zde:

https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/558-hybridni-jaderny-reaktor)

I kdyby Spojené státy americké v roce 1998 dodržely slovo a pokračovaly v projektu ITER a nemusel se po jejich odstoupení rozpočet snižovat a velikost tokamaku ITER zmenšovat, nestačil by projektovaný výkon nového plazmatu k vyzkoušení odolnosti konstrukčních materiálů vůči tokům fúzních neutronů. Jen by nebyly dnes náklady na testovací zařízení tak vysoké.

V americkém reaktoru ATR (Advanced Test Reactor) Národní laboratoře v Idahu se právě testuje nový typ jaderného paliva, tzv. palivo odolné proti nehodám (ATF, Accident Tolerant Fuel). Palivo se vyvíjí v rámci programu amerického ministerstva energetiky (DOE), jehož cílem je komercializace ATF do roku 2025. Francouzská společnost FRAMATOME testuje v laboratoři dva nové koncepty: povlak palivových proutků z chromu, který je navržen tak, aby chránil palivo před poškozením a oxidací při vyšších teplotách; a palivové pelety dopované chromem, u nichž se předpokládá, že budou mít delší životnost a budou lépe pracovat za havarijních podmínek.