Umelé Slnko – ITER

Jedno z najúžasnejších technologických diel v histórií ľudstva, „umelé Slnko“ v pozemských podmienkach, kde teploty presahujú 100 000 000 °C, uzavreté v obrovských magnetických poliach. Aj takto sa dá opísať projekt s názvom International Thermonuclear Experimental Reaktor, v skratke ITER.

Toto zariadenie je postavené na princípe relatívne komplikovaného a objemného prístroja s názvom TOKAMAK [1], z ruských slov: TOroidal’naya KAmera s MAgnitnymi Katushkami. Rusi prišli s prvým konceptom už okolo roku 1950. V reaktore TOKAMAK-u sa generuje vysokoteplotná plazma v tvare toroidu (torus je tvar prstenca, resp. americkej šišky, teda taký tučný kruh) a to pomocou silných magnetických polí (rádovo niekoľko tesla, teda tisícnásobky bežných magnetov).

Plazma, teda ionizovaný plyn, je indukovaná na princípe bežného transformátoru. (Pre znalcov: jedno vinutie si môžeme predstaviť ako zdroj mimo reaktora a druhé vinutie je samotná plazma s obrovskými elektrickými prúdmi). Nato aby sa dokázala takáto plazma „naštartovať“ a následne udržať, je potrebné obrovské množstvo energie.

Supravodiče

Srdcom každého TOKAMAK-u sú supravodivé cievky rôzneho typu (spravidla nazvané podľa geometrie, úlohy a umiestnenia v reaktore) chladené na teplotu tekutého hélia (4°C nad absolútnou nulou). Človek by sa hneď na tomto mieste mohol zamyslieť: „Dokelu, čo sú to tie SUPRAVODIČE?!“

Jednoducho povedané: supravodiče sú materiály, ktoré keď dostaneme do istého stavu (v zásade schladíme na veľmi nízke teploty), tak vykazujú veľmi zaujímavé vlastnosti, napr. nemajú elektrický odpor (pre odborníkov by som chcel dodať, že toto nie je pravda vždy).

Späť k supravodivým cievkam. Ak pripravíme cievku zo supravodivého „drátu”, vieme generovať obrovské magnetické polia, v princípe bez elektrických strát (znova pre odborníkov: iba v perzistentnom móde). Vďaka štipke rozmýšľania a cca 30 rokov práce sa nahromadilo dostatočne veľa vedomostí a dát na to, aby sme dokázali poskladať sofistikovanú sústavu cievok, ktoré dokážu vygenerovať a bezpečne udržať plazmu tak horúcu, aby umožnila niečo, čomu hovoríme fúzna reakcia.

Jadrová fúzia

Ďalší nový pojem – fúzia. O čo ide? Na začiatku tohto príspevku sme si povedali, že ITER (alebo ľubovoľný TOKAMAK) má vytvoriť niečo ako „umelé Slnko“ (podľa mňa ide o trochu mätúci pojem, ktorý veľmi neobľubujem).

Myšlienka je, že by ľudstvo v zásade chcelo replikovať fyzikálne podmienky v Slnku, čím by sme docielili jadrovú fúznu reakciu, na ktorej je postavená každá hviezda vo vesmíre a z ktorej máme prakticky všetku energiu na Zemi.

Pod fúziou myslíme to, že dve ľahšie jadrá prvkov (napr. vodíka) sa zlúčia, čím vznikne jadro ťažšieho prvku (napr. z dvoch vodíkov vznikne hélium) a obrovské množstvo energie, spravidla milión krát viac ako pri štiepnej reakcii v klasických jadrových reaktoroch (pri rovnakom množstve paliva) [2].

Presne toto chceme, keďže týmto spôsobom by sme dokázali vyrábať elektrickú energiu na milióny rokov bez hocijakého rádioaktívneho odpadu či splodín. Na druhej strane, naštartovať fúznu reakciu je veľmi náročná úloha, ktorá si vyžaduje extrémne podmienky – ako napr. teplotu a tlak ako vo hviezdach.

Fúznu reakciu sa už podarilo udržať desiatky sekúnd, teraz je cieľom aby produkovala aspoň toľko energie, ako vynakladáme na jej udržanie. Vyvrcholenie tohto snaženia v experimentálnych podmienkach má byť honosný projekt ITER.

Projekt ITER

Ide o obrovských medzinárodný projekt zahrňujúci USA, EU, Japonsko, Ruskú federáciu, Čínu, Indiu a Kóreu, s celkovým rozpočtom (stavba plus 30 rokov prevádzky) okolo 50 miliárd Euro, čo vôbec nie je malá čiastka ani na také veľké konzorcium (odporúčam pozrieť [3]). ITER je/bude doposiaľ najväčší fúzny reaktor na princípe TOKAMAK-u. Práve teraz sa stavia na juhu Francúzka pri mieste s názvom Cadarasche [4], každý z partnerov má na starosti istú časť projektu.

Veľkosť tohoto kolosu sprevádza obrovská miera koordinácie, logistiky, inovácii, vývoja a samozrejme prekážok vo stále sa objavujúcich problémov. Škála projektu zahŕňajúca desiatky inštitúcii a tisíce vedeckých pracovníkov (fyzikov, inžinierov, výpočtárov,…) je enormná. Pre priblíženie: len samotná miestnosť s reaktorom má okolo 30 metrov a samozrejme, prirátajúc magnety, cryostat, diagnostiku plazmy a množstvo potrebných prístrojov, nám tento objekt narastie do neuveriteľných rozmerov. Treba zobrať do úvahy aj to, že množstvo komponentov súvisiacich so samotným reaktorom sa montuje z časti dovezených priamo na mieste (napr. v 60 m vysokej budove kde sa nachádza žeriav určený na váhu do 1500 ton).

Vedieť o tomto všetkom je síce pekné, ale vidieť to celé na vlastné oči, z toho behá mráz po chrbte (myslím, že ITER už bude onedlho, zhruba o dva roky, sprístupnený širokej verejnosti. Vrelo odporúčam).

Hlavným, ale zďaleka nie jediným, cieľom projektuje je ukázať, že reaktor takéhoto rozmeru dokáže viesť k fúznej reakcii, ktorá dodá viac energie, ako do nej vložíme.

Tento argument je úplne kľúčový na to, aby koncept TOKAMAKu poslúžil ako základ pre elektrárne budúcnosti. Za dekády sa totiž ukazuje, že čím väčší reaktor, tým lepšia energetická výťažnosť.

(Opäť pre odborníkov by som chcel spomenúť, že dá sa spraviť aj menší reaktor – koncept #2, ale potrebujeme oveľa silnejšie magnetické polia. Žiaľ, momentálne komerčne dostupné supravodivé vodiče toto neumožňujú. Treba tak prejsť na vysokoteplotné supravodiče, to je ale ešte stále hudba budúcnosti. Ale pracujeme na tom!)

Potenciál TOKAMAKu

Dokončenie ITERu očakávame niekedy za zhruba 3 roky s tým, že oficiálny dátum prvej plazmy sa odhaduje na rok 2025. Po tomto dátume sa bude cca 10 rokov optimalizovať a vylepšovať, až pokiaľ nezabezpečíme tzv. deuterium (tažký vodik)–trícium (ešte ťažší vodík) reakciu, ktorá je to pravé-orechové na efektívnu fúznu reakciu na úrovni Q=1 (teda koľko energie vložím, toľko dostanem. Neskôr sa plánuje Q=10).

Ak sa všetko podarí v rámci ITER-u a ukáže sa, že toto je (konečne) správna cesta, tak pristúpime k prvému prototypu fúznej elektrárni a.k.a. DEMO [6]. Toto je hudba ďalekej budúcnosti, tak rok 2050. Po úspešnom projekte DEMA sa začne éra čistej fúznej energie, ktorú môžeme očakávať niekedy po roku 2080. (Sorry ak ste to čakali skôr.)

Komerčná sféra

Na záver by som chcel poukázať nato, že cestou konceptu TOKAMAK-ov #2 (menší reaktor, oveľa silnejšie magnetické polia využívajúc vysokoteplotné supravodiče) sa vydalo už niekoľko pomerne úspešných startupov (napr. CFS-USA [7], alebo Tokamak energy-UK [8]), čím sa celý vývoj urýchľuje – a presne toto chceme. Už niekoľkokrát sa v histórií ukázalo, že súkromný sektor je vo vývoji efektívnejší. Ak tento trend bude pokračovať, éra fúzie by mohla prísť oveľa skôr, ako si myslíme.

[Robo]
(SWISS plasma center EPFL, Paul Scherrer Institute)

PS: Ja konkrétne sa zaoberám meraním a vývojom spomínaných magnetov. Naše pracovisko, SULTAN, je jediné, ktoré dokáže merať supravodiče aj na a škále potrebnej pre tokamaky.

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power
[3] https://www.iter.org/
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Cadarache
[5] https://www.youtube.com/watch?v=x-VjuKT1uhs&t=62s
[6] https://www.euro-fusion.org/programme/demo/
[7] https://cfs.energy/
[8] https://www.tokamakenergy.co.uk/
Virtuálny tour: https://static.iter.org/com/360/calendar/2019-06/
Videá: https://www.iter.org/news/videos
(Obr. UK JET, najväčší funkčný tokamak http://www.tokamak.info/)