Student World

Rok 1982 byl vůbec plodným obdobím. Na německém tokamaku Asdex objevil 4. února profesor Fritz Wagner režim zvýšeného udržení energie plazmatu, takzvaný H-mód (High – vysoký). Byly rozpracovány metody dodatečného ohřevu.

Byl to právě H-mód, který těmto metodám vytrhl trn z paty – plazma po jejich použití bylo jinak nestabilní a klesala doba udržení energie. Standardizoval se protažený tvar vakuové komory odpovídající písmenu D a divertor na dněvakuové komory. Protažený tvar vakuové komory zvyšuje parametr β, na kterém závisí ekonomické parametry tokamaku. Prvním tokamakem s průřezem vakuové komory ve tvaru písmene D byl sovětský tokamak T-8. Na tokamaku JET jeho autor Henri Rebut ocenil díky D tvaru lepší mechanické vlastnosti komory, která snadněji odolávala ohromným silám magnetického pole. Arcimovič a Šafranov v Moskvě spočítali: teče-li elektrický proud poblíž centrálního solenoidu, má proud lepší podmínky – tedy další skóre pro průřez komory tvaru písmene D. D-průřez je výhodný pro instalaci divertoru. Divertor, kromě jiného, usnadňuje nastavení režimu H-mód.

Uvedené příklady dokumentují, jak svět infikovaný tokamaky pracoval a postupoval rychle kupředu. V okamžiku, kdy bylo jasné, že extrapolace výsledků tokamaků sedmdesátých let dává za pravdu tvrzení, že čím větší objem plazmatu, tím vyšší teplota (tím lepší je udržení energie), byl vytyčen směr dalšího bádání.
Ostatně, škálovací vzorce ukazující závislost parametrů plazmatu na rozměrech tokamaku byly vynikajícím výsledkem spolupráce tokamakových laboratoří. Mimo jiné potvrzují, že teplota iontů Ti a doba udržení energie v plazmatu rostou s velikostí elektrického proudu Ip v plazmatu. Nastal čas postavit obry!

Na počátku sedmdesátých let byly nejvýkonnějšími tokamaky francouzský Tokamak Fontenay aux Roses (TFR) a sovětský T-4, které dosahovaly 400 kiloampérů elektrického proudu v plazmatu. Již zmiňovaný americký PLT, spolu s tokamakem T-10 a dalšími, se staly odrazovým můstkem pro stavbu dosud největšího tokamaku na světě – evropského tokamaku Joint European Torus, dobře známého pod zkratkou JET. (Pozor, neplést si s jadernou elektrárnou Temelín – ETE!)
Mezi „obry“ patří evropský tokamak JET, japonský tokamak JT-60U, sovětský tokamak T-15 a patřil k nim i dnes již rozebraný americký tokamak TFTR. Vzhledem k tomu, že tokamak T-15 je zakonzervovaný, tak dnes je rozměrově největším tokamakem JET. Jemu sekundují americký DIII-D, francouzský ToreSupra s nejdelším pulsem horkého plazmatu 6:30 minuty a rozptýlenou energií 1000 MJ, ruský T-10 a německý ASDEX Upgrade. Pochopitelně i jediné dva celosupravodivé tokamaky na světě – čínský EAST a jihokorejský KSTAR.

JET je výjimečný stroj. Články o historii jeho výzkumů jsou skutečně vzrušujícím čtením. O prestižní volbu místa stavby tehdy ve finále soutěže šesti míst tvrdě bojovaly Anglie a Německo. Zdánlivě neřešitelný spor zakončila nepříjemná historie s více méně šťastným koncem, kdy dopravní letadlo Lufthansy Flight 181 unesla Organizace pro osvobození Palestiny a cestující byli s britskou pomocí osvobozeni. Německý kancléř Helmuth Schmidt se slavnostně vzdal kandidatury na stavbu JET ve „prospěch“ britského premiéra Jamese Callaghana.

Svého úkolu vedoucího projektu se obdivuhodným způsobem zhostil Paul-Henri Rebut. Tokamak JET byl postaven podle časového programu, nepřekročil odsouhlasené náklady a naopak byl překročen téměř dvakrát plánovaný proud plazmatem 3,7 MA na 7 MA! D-tvar průřezu komory nejen že splnil Rebutovy předpoklady, ale ukázal se jako nesmírně šťastná volba. D-tvar totiž umožnil dodatečnou instalaci divertoru, což byla nutná podmínka vybuzení H-módu. H-mód byl totiž objeven a ověřen až po dokončení tokamaku. JET běžně pracoval s pulsy mnohem většími, než na jaké byli vědci dosud zvyklí – 10 až 20 sekund, stejně tak doba udržení energie vzrostla tisíckrát a měřila se v sekundách. Konečně 9. listopadu 1991: 10 % tritia stačilo uvolnit 1,7 MW fúzního výkonu, celkem 2 MJ fúzní energie. Poprvé na světě bylo na Zemi uvolněno řízeným způsobem významné množství energie fúzí. Optimální poměr směsi deuteria a tritia D : T je 50 : 50. Proč tedy JET použil poměr deuteria a tritia 90 : 10? Rebut chtěl instalovat divertor, neboť se ukázalo, že to je lék na pokles doby udržení energie v důsledku růstu teploty plazmatu díky dodatečnému ohřevu. Ten lék, jak už víme, se jmenoval H-mód. Rada tokamaku JET chtěla co nejdříve výsledky, chtěla konečně termojadernou reakci, chtěla napustit tritium. Ovšem instalovat divertor v aktivované vakuové komoře bez dálkového ovládání, které ještě nefungovalo, bylo více méně nemožné. Strany se dohodly na kompromisu. Zapálí se termojaderná reakce, ale při malém množství tritia, takže se neaktivují stěny komory a bude se moci instalovat divertor ručně i po tom, co v komoře proběhne reakce D–T.

Tritiové experimenty ukázaly, že ohřev α-částicemi – produkty reakce deuterium–tritium – funguje. Tato skutečnost nebyla předem vůbec zřejmá. Dodnes rekordního výkonu a rekordní uvolněné energie dosáhl JET v roce 1997 již s divertorem – 16,1 MW a 22 MJ. To už bylo jasné, že plazma je ohříváno produktem fúzní reakce – α-částicemi (jádry helia). Dodatečný ohřev vysokoenergetickými svazky neutrálních částic dodával plazmatu tokamaku JET 20 MW a α-částice cca 3 MW. Výkonové zesílení plazmatu Q = 0,65. O rok později JET úspěšně předvedl důležitou technologickou akci, když vyměnil postupně celý divertor pomocí dálkově ovládané techniky.

Posledním významným příspěvkem tokamaku JET k fúznímu světu, to je k provozu ITER, bylo úspěšné spuštění inovovaného zařízení v roce 2013 – s první stěnou ze stejných materiálů, jaké bude používat ITER (ITER like wall). Vakuová komora byla obložena beryliem a divertor wolframem.

JET přinesl zásadní pokrok ve schopnostech řídit vysokoteplotní plazma, protože umožňuje automaticky reagovat v reálném čase na chování plazmatu pomocí prakticky všech výkonových systémů, včetně systémů ohřevu. Byl vyzkoušen kvazistacionární režim ELMy H-mód.
Velkým soupeřem tokamaku JET byl americký tokamak TFTR v Princeton Plasma Physics Laboratory. Zatímco v Evropě se Němcům nelíbilo ruské slovo tokamak a proto JET použil „torus“, Američanům ruština nevadila a TFTR začíná „tokamakem“. Bylo jasné, že obě zařízení soupeří o fúzní prvenství. Američané začali projektovat později než JET, ale ztrátu dohnali rychlou volbou místa – Princetonu.

TFTR byl spuštěn na Štědrý den roku 1982. JET byl do provozu uveden o půl roku později. Na rozdíl od JET měl TFTR kruhový průřez vakuové komory, který nedovoloval instalaci divertoru a tudíž nastavení režimu H-mód. Princeton věren své zásadě – stavět tak jednoduše, jak jen možno – na něco takového, jako je protáhlý tvar vakuové komory, ani nepomyslel. Vyřešit problém poklesu udržení energie při použití dodatečného ohřevu pomohl svérázný experimentátor Jim Strachanan, který objevil tak zvané supershots – supervýstřely. Stěny komory obložil uhlíkem, komoru pečlivě vyčistil několika výstřely do helia a pak do relativně řídkého plazmatu vstřelil energetický svazek tritiových atomů. Výsledkem byla lavina fúzních neutronů.

Jak JET, tak TFTR byly od počátku vybaveny pro práci s tritiem. Silná betonová zeď chránila obsluhu před neutronovým zářením. Tokamak TFTR napustil tritium poprvé v roce 1993, dva roky pro tokamaku JET. Zvolil od počátku optimální poměr 50 : 50 a výsledkem bylo 10 MW fúzního výkonu v roce 1994. Centrální teplota plazmatu v TFTR byla 510 miliónů stupňů.

Japonsko postavilo v roce 1985 jako třetí stát velký tokamak JT-60. Japonské zařízení nebylo navrženo pro práci s tritiem, ovšem i jeho výsledky s deuteriovým plazmatem byly velmi dobré a cenné. Zajímavé bylo, že úspěšný byl až druhý divertor v roce 1987 – JT60U, neboť první „překážel“ elektrickému proudu v plazmatu. Japonci údajně odmítli radioaktivní tritium, neboť jeho přítomnost nebyla po zkušenosti s Hirošimou politicky průchodná. Zajímavé bylo, že atomové elektrárny Japoncům nevadily.

Do projektu ITER dnes patří tzv. širší přístup (Broader Approach). Ten zahrnuje modernizaci, či spíše stavbu zcela nového japonského tokamaku. JT-60SA bude celosupravodivý tokamak s bohatým ohřevovým systémem – kupříkladu 14 svazků neutrálních atomů s objemem plazmatu větším než má JET. Japonská termojaderná godzila se staví za finanční a personální pomoci Evropské unie. Budoucí druhý největší tokamak na světě, na rozdíl od JET a ITER, nebude opět pracovat s tritiem. Rodiště tokamaku v Moskvě se snažilo nezůstat pozadu, ale značné náklady obrovských tokamaků se ukázaly nad aktuální síly ruského výzkumu. Proto se původně ohlášená konstrukce tokamaku T-20 uskrovnila na tokamak T-15 spuštěný v roce 1988 – a nakonec i ten byl příliš drahý, po sto výstřelech byl zakonzervován a dodnes nefunguje. Sice se objevily zprávy, že jeho činnost bude obnovena, dokonce bude instalován modifikovaný divertor, ale zůstává jen u zpráv. T-15 byl největší tokamak na světě se supravodivými cívkami toroidálního pole z Sn3 Nb.

T-15 měl kruhový průřez vakuové komory a cívky poloidálního pole nebyly supravodivé. JET poprvé vyzkoušel dodávku a zpracování tritia v uzavřeném okruhu. Všechny zde jmenované a nejmenované tokamaky pracují ve prospěch mezinárodního tokamaku ITER, který od roku 2007 staví Evropská unie, Rusko, Spojené státy, Čína, Jižní Korea a Indie v jihofrancouzském regionu Cadarache. Na úspěchu či neúspěchu do značné míry závisí pokračování výzkumu řízené termojaderné fúze.
Mezi komerční fúzní elektrárnou a tokamakem ITER by měla vyrůst demonstrační fúzní elektrárna DEMO. Zřejmě na principu tokamaku. Již dnes DEMO začínají navrhovat Čína, Jižní Korea a Evropa.

Tento text je úryvkem z knihy
Milan Řípa: Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
Academia 2014
O knize na stránkách vydavatele

autor