Ochrana před žárem jako další krok k praktickému fúznímu reaktoru

V tokamaku, experimentálním zařízení pro jadernou fúzi, vzniká teplota kolem sta milionů stupňů Celsia. Vědci proto pracují na způsobu, jak ochránit vnitřní stěnu tokamaku před poškozením. Evropský tým, jehož součástí jsou i badatelé z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, vyvinul speciální systém s vysokorychlostními kamerami.

Jaderná fúze představuje do budoucna slibný zdroj stabilní a nízkoemisní energie. Jedním ze zásadních problémů k jejímu praktickému využití je udržení žhavého plazmatu v bezpečné vzdálenosti od stěn reaktoru. V tokamaku, který slouží k experimentům s jadernou fúzí, vzniká plazma o podobné teplotě, jako je uvnitř hvězd.

Jako základní způsob ochrany se využívají silná magnetická pole, jež brání vysoce energetickým částicím plazmatu proudit z centra výboje na stěnu reaktoru. Tato izolace ale není dokonalá a nedokáže zcela potlačit nežádoucí interakci s tokamakem. Působení plazmatu je možné omezit také vstřikováním určitých plynných příměsí (například dusíku nebo argonu), které okrajové plazma ochlazují. Jenže se při tom může ochladit také centrum plazmatu, což ohrožuje správný průběh fúzní reakce.

Na vyřešení tohoto úkolu pracují evropští vědci pod vedením výzkumníků z institutu DIFFER v nizozemském Eindhovenu. Tým, jehož součástí jsou i badatelé z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, vyvinul multispektrální zařízení MANTIS, které sleduje vyzařování atomů uhlíku v plazmatu pomocí vysokorychlostní kamery.

Uhlík se v malém množství přimíchá do plazmatu. Vydává záření při relativně nízkých teplotách (přibližně 50–100 tisíc stupňů Celsia). Podle toho, jak daleko od stěny tokamaku uhlík září, vědci přesně určí, jestli je plazma dost chladné, aby tokamak nepoškodilo. Vyhodnocení zajišťuje obraz z kamery pomocí algoritmů 800krát za sekundu. V návaznosti na to se reguluje přítok dusíku do okrajové oblasti plazmatu.

Systém MANTIS byl úspěšně otestován na tokamaku TCV ve Švýcarsku v rámci výzkumu prováděného evropským konsorciem Eurofusion. Výsledky otiskl prestižní časopis Nature Communications.

Jaký je princip fúze?

Při fúzní reakci dochází ke slučování atomových jader lehčích prvků v jádra těžších prvků a zároveň k uvolňování energie. Stávající jaderné elektrárny naopak štěpí jádra těžkých prvků. Termojaderná fúze probíhá za vysokých teplot, které potřebují izotopy vodíku k tomu, aby mezi nimi mohlo k reakci dojít. Díky tomu se uvolňuje velké množství energie, jež by se dala využít na výrobu elektřiny v elektrárně. To je ale zatím vzdálená budoucnost.

Důležité je, že termojaderná fúze probíhá pouze při velmi vysokých teplotách plazmatu. Jakékoli ochlazení vede k okamžitému přerušení reakce. Díky tomu je termojaderný reaktor inherentně bezpečný zdroj energie. Vytvořit funkční fúzní reaktor však bude podle odhadů trvat ještě desítky let. Díky termojaderné fúzi by v budoucnu mohlo jít vyrábět obrovské množství energie, aniž by vznikal radioaktivní odpad.

Přínos pro český tokamak

„Evropský výzkum jaderné fúze je specifický v tom, že na rozdíl od mnoha jiných oborů, kde mezi sebou jednotlivé národní laboratoře soutěží, jde o silně kolaborativní typ vědecké práce,“ vysvětluje Michael Komm z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, který se podílel na realizaci těchto experimentů v pozici jednoho z vědeckých koordinátorů. „Systém vznikl v Nizozemí a použil se na tokamaku ve Švýcarsku pod vedením výzkumníků z Velké Británie, Německa, České republiky a dalších zemí. Díky tomuto propojení je možné efektivně sdílet specifické know-how jednotlivých laboratoří a zároveň koordinovat aktivity nezbytné k úspěšné realizaci první fúzní elektrárny,“ říká Michael Komm.

Způsob ochrany před žhavým plazmatem, který vědci otestovali na tokamaku TCV, má s určitými úpravami posloužit také v budovaném mezinárodním tokamaku ITER, který je největším projektem tohoto druhu na světě. Zároveň najde uplatnění v novém tokamaku COMPASS-U, který se aktuálně staví v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR a nahradí od roku 2023 stávající tokamak COMPASS.

Připravil: Jan Klika, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR (5.3.2021)

Obr. malý: Vnitřek švýcarského tokamaku TCV