Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Cesta jménem ITER

Stále ještě do neznáma?
Publikováno: Vesmír 85, 356, 2006/6
Obor: Fyzika

„Nebudu předstírat, že by fúze mohla pomoci teď. V nejlepším případě to bude v druhé polovině tohoto století. Ale nemůžeme si dovolit na tom nepracovat.“

Dr. Jérôme Paméla, EFDA Leader, pro BBC

Od loňského června jsou téměř všichni, kdo pracují na poli termonukleární fúze, o poznání optimističtější – a přibyla jim spousta práce. Po dvouletých tahanicích a značných finančních ústupcích je totiž rozhodnuto o místu stavby obřího fúzního experimentu ITER, na kterém se mají podílet EU, Japonsko, Rusko, USA, Čína a Jižní Korea. Lokalita nakonec přísluší tomu, kdo byl v uplynulých dvaceti letech největším tahounem výzkumu, totiž Evropské unii. Stavět se bude v jihofrancouzském výzkumném středisku Cadarache (nedaleko Aix-en-Provence). Na sklonku roku 2005 nominovalo Japonsko prvního ředitele diplomata Kaname Ikedu, Evropa položila základ ke správnímu středisku v Barceloně a do projektu ITER vstoupila i Indie, takže se na jeho financování bude podílet více než polovina lidstva; 24. května 2006 byla v Bruselu podepsána všemi sedmi partnery iniciační smlouva o výstavbě.

Slovo ITER se z latiny překládá jako „cesta“, což mnohé autory inspiruje k analýze cílů tohoto projektu. Takový přístup má ovšem svá úskalí, protože ITER bude jako velká vědecko-technologická investice především cestou za poznáním, takže povede do míst, která zatím ani nemůžeme moc dobře znát. Zkusím to raději jinak – tak, aby pozornému čtenáři význam projektu ITER vyplynul z ohlédnutí za tím, proč a jakými cestami k němu lidé dospěli.

Nejsme přeborníky na věštbu
Od pamětníků dostáváme nejčastěji otázku, zda stále platí, že bude fúze zvládnuta asi tak za dvacet let. Tato slavná „fúzní konstanta“ dokládá, že opravdu nejsme přeborníky na věstbu. Všichni máme sklon věřit na jednoduchá řešení a náhlé zvraty, jenže historie fúze je spíše historií postupného (a poměrně rychlého) zdokonalování našeho chápání i našich technických prostředků.

Jak lvové bijem o mříže,

jak lvové v kleci jatí,

my bychom vzhůru k nebesům

a jsme zde Zemí spjatí.

Nedozírné možnosti fúze jako zdroje energie si poprvé uvědomil vynikající britský astronom Arthur S. Eddington již r. 1920, tedy dlouho před objevem samotných jaderných fúzních reakcí. Experimenty Francise W. Astona tenkrát nade vši pochybnost odhalily rozdíl mezi hmotností čtyř atomů vodíku a jednoho atomu helia – helium bylo lehčí, jako by se při skládání atomových hmot něco ztrácelo. Eddinton si vzpomněl na Einsteinovu ekvivalenci hmoty a energie E = mc2 (tuto relaci z r. 1905 tenkrát ještě mnoho fyziků neznalo a často ani nechtělo znát), a tím jako první vyřešil jednu z největších záhad fyziky 19. století, totiž kde se vlastně bere v Slunci a v jiných hvězdách tolik energie. V Eddingtonově slavné přednášce 1) čteme: „Kdyby jen 5 % hmoty hvězd tvořil vodík a ten by se postupně skládal v složitější prvky, celkové uvolněné teplo by bohatě stačilo našim potřebám a nemuseli bychom dále hledat zdroj energie hvězd. […] Pokud je skutečně ve hvězdách subatomární energie volně užívána pro udržování těch obrovských výhní, pak nás to, jak se zdá, posunuje o kousek blíže k naplnění velkého snu o ovládnutí této latentní síly ve prospěch lidstva – nebo k jeho sebevraždě.“

Tato vizionářská slova byla nejprve zpochybňována. Sám objevitel atomového jádra Ernest Rutherford prohlásil r. 1933, že „každý, kdo od jaderných reakcí očekává energetický zdroj, je jen snílek“. Učinil tak pouhý rok předtím, než došlo právě v jeho laboratoři k objevu fúze jader těžkého vodíku (deuteria). Netrvalo dlouho a díky obrovskému, válkou hnanému vypětí ducha a prostředků se podařilo zvládnout štěpnou a následně i fúzní explozi v podobě uranové a vodíkové bomby. Na pokraji sebevraždy bylo náhle zřejmé, že by se fúze skutečně mohla využít i k prospěchu lidstva. První fyzikální výpočty a první měření dokonce naznačovaly, že by nemuselo jít o příliš složitou úlohu.

První fúzní experimenty z padesátých let si lze zjednodušeně představit jako velmi intenzivní elektrické výboje v plynném deuteriu. Věřilo se, že při takovém výboji mohou jádra deuteria dosáhnout potřebné vysoké teploty k fúzním reakcím dříve, než se výboj rozpadne. První výpočty dosažitelných teplot, založené na klasické difuzi tepla prostřednictvím srážek mezi částicemi ve výboji, takový optimizmus dovolovaly. Při experimentech byly záhy pozorovány i neutrony, což poměrně často vedlo k ukvapenému závěru, že jde o neutrony z fúzních reakcí. Zvládnutí fúze se zdálo na dosah. Fúze se objevila na titulních stranách tisku jako další kandidát na zdroj energie „příliš levné na to, aby se měřila její spotřeba“.

Procitnutí do reality
Došlo na opakovaná varování řady jaderných fyziků, kteří upozorňovali na to, že neutrony nemusí být nutně fúzní. Nebyly vyzařovány stejnoměrně do všech směrů, ale měly převážně směr výboje. Navíc byly provázeny tvrdým rentgenovým zářením. Šlo proto o produkty jaderných reakcí částic, které byly urychlené elektrickým polem na vysoké rychlosti. Takovým procesem nikdy nebude možné uvolnit více energie, než kolik se do experimentu vkládá. Ukázalo se, že se ani zdaleka nedaří dosáhnout teplot nezbytných pro zapálení fúze. Difuze tepla byla mnohem a mnohem rychlejší, než předvídala srážková teorie.

Nám zdá se, z hvězd že vane hlas:

„Nuž pojďte, páni, blíže,

jen trochu blíže, hrdobci,

jimž hrouda nohy víže!“

V šedesátých letech se v relativní tichosti a pesimizmu pracovalo na velmi široké paletě možných zařízení k zvládnutí fúze 2) a také na zdokonalování metod měření. Nakonec přišla dobrá zpráva: Uznávaný tým z moskevského střediska prohlásil, že dosáhl teplot kolem deseti milionů stupňů, jen o jediný řád méně, než kolik potřebuje fúze. Jejich měření teploty byla ovšem nepřesná a sporná, proto bylo navzdory politickým obtížím domluveno zapůjčení jedinečné britské aparatury, založené na rozptylu laserového světla plazmatem (plazma je ionizovaný plyn, viz rámeček 1 ). Mnohatunové zařízení, doprovázené několika britskými experty, záhy sovětské výsledky potvrdilo. Do mezinárodního povědomí se tak dostala ruská zkratka „tokamak“, označující zařízení, které po více než deseti letech vývoje v zemi svého původu dosáhlo tohoto ve své době jedinečného výsledku.

Evropské, americké a japonské laboratoře začaly stavět tokamaky – a všechny celkem dobře fungovaly. Opět nastalo poměrně nadějné období, zdálo se, že v podstatě bude stačit plazma ohřát na desetkrát vyšší teplotu. Tokamaky navíc patřily mezi fúzní experimenty, které nabídly místo milisekundových výbojů perspektivu několikasekundového, a možná i kontinuálního uvolňování fúzní energie. K tomu bylo nutné zvětšit objem plazmatu tak, aby plazma lépe udrželo vloženou tepelnou energii a také aby objem magnetického pole udržel i rychlá jádra helia, která při fúzi vznikají. Právě tyto částice měly ve srážkách dodávat do plazmatu tepelnou energii potřebnou k pokrytí jeho tepelných ztrát čili udržovat extrémně vysokou teplotu. Kdy? Možná za dvacet let?

Sedmdesátá léta byla zároveň obdobím ropné krize, kdy si rozvinuté země poprvé citelně uvědomily, že zásobování energií není samo sebou a že je třeba myslet i na zadní vrátka. Rychle byly hotovy projekty tří velkých tokamaků: TFTR v USA, JT-60 v Japonsku a rozměrem nejodvážnější zařízení JET Evropského společenství3, jejichž výstavba na sebe nenechala dlouho čekat. Velké tokamaky nefungovaly špatně, ale bohužel se objevila další temná zákoutí fyziky plazmatu. Především se zjistilo, že čím více se plazma ohřívá, tím rychleji rostou jeho ztráty. „Je to, jako by se v zimě otevírala okna domu tím více, čím více se topí. I tak lze nakonec dům vyhřát, ale stojí to mnohem a mnohem více energie.“ 4)

Po této zkušenosti fyzikové začali ztrácet důvěru v teoretické předpovědi a zaměřili se spíše na shromažďování a srovnávání empirických dat, kterých zvolna přibývalo. Chování plazmatu se od té doby předpovídá na základě podobnostních studií. Podle principu podobnosti, který je dobře znám například z aerodynamiky, lze předvídat fyzikální chování velkých (a tedy nákladných) systémů z výsledků měření na tvarově a principiálně podobných, ale menších experimentech.

Ne všechna překvapení byla špatná
Při určitých způsobech provozu byly na německém tokamaku ASDEX a na JET nečekaně objeveny transportní bariéry čili oblasti, přes které plazma hůře ztrácí tepelnou energii. Udržení tepelné energie se tak mohlo zlepšit i více než dvakrát. Navíc se dařilo vyvíjet jak technologie výkonného dodatečného ohřevu, tak procesy vakuového čerpání nezbytné k udržení vysoké čistoty plazmatu.

My přijdem! Duch náš roste v výš

a tepny touhou bijí,

zimniční touhou po světech

div srdce nerozbijí!

Mezitím se v roce 1985 v Ženevě poprvé setkali Ronald Reagan a Michail Gorbačov. Je toho málo, v čem si mohli napoprvé vyjít vstříc, a fúze byla vybrána jako posel dobrých zpráv. 5) Opět to vypadalo, že bude fúze zvládnuta za dvacet let. A možná opravdu mohla být. Kdyby se od roku 1985 na projektu ITER intezivně a bez přestání pracovalo, mohlo toto zařízení dnes už skutečně dávat první výsledky.

V letech devadesátých bylo poprvé v experimentech na JET a později i na TFTR použito palivo fúzních reaktorů, směs deuteria a tritia (těžkého a supertěžkého vodíku). Pozorovány byly první makroskopické projevy fúzních reakcí. Při rekordním fúzním výkonu 16 MW, který byl dosažen v roce 1997 na tokamaku JET, byl prokazatelně pozorován i fúzní ohřev plazmatu. O rok později byl konečně publikován detailní projekt tokamaku ITER. Na základě podobnostních studií bylo stanoveno, že ITER musí být v lineárních rozměrech téměř třikrát větší než JET, aby dosáhl zapálení fúze s dostatečnou rezervou. Přitom jeho cívky musí být supravodivé, aby dokázaly v potřebném objemu a na požadovanou dobu vytvořit dostatečně vysoká magnetická pole. V tom roce ale už Sovětský svaz neexistoval, ropná krize byla dávno zažehnána a Spojené státy se k tak náročnému projektu obrátily zády. Evropská unie, Japonsko a Ruská federace se shodly, že je nutné přepracovat ITER na levnější verzi.

Zesilovač výkonu
V nové podobě z roku 2001 zůstává ITER plně supravodivým zařízením, je ale v lineárních rozměrech jen dvakrát větší než JET. Podle podobnostních studií v něm k zapálení fúze zřejmě nedojde, nicméně má fungovat jako zesilovač výkonu: fúzí by měl uvolňovat nejméně desetkrát větší výkon, než jaký bude dodáván do jeho plazmatu. Geopolitická situace se mezitím dramaticky změnila. Svět jasně pociťuje rostoucí napětí kolem největších ložisek ropy, navíc se do titulních zpráv dostává hrozba globálního oteplení. Do výzkumu fúze věnují rostoucí finanční i personální prostředky Jižní Korea a Čínská lidová republika. Poté, co se Čína připojila k projektu ITER, vrátily se do něj i Spojené státy, a dokonce dávají projektu v rámci energetického výzkumu prioritu. Na stole je náhle víc peněz, než s kolika se původně počítalo. Partneři ovšem neuvažují o návratu k původnímu projektu. Naopak se zasazují o „širší přístup“ k výzkumu fúze, podle kterého má vedle tokamaku ITER fungovat řada podpůrných programů, zaměřených na řádnou přípravu dalšího projektu, demonstrační elektrárny DEMO. Půjde hlavně o materiálový výzkum, například o projekt IFMIF (zdroj intenzivního neutronového toku pro testování materiálů).

Výstavba samotného tokamaku ITER má stát kolem pěti miliard eur a jeho provoz nejméně také tolik. Ač jde z hlediska jedince o nepředstavitelné prostředky, je to stále jen zlomek úsilí, které dokázali lidé vynaložit na vývoj atomových zbraní. Jinými slovy nelze tvrdit, že by kvůli projektu ITER musely strádat ostatní vědecké či energetické programy. Příběh fúze spíše podává další svědectví o tom, že k velkým cílům nevedou jen cesty plné násilí.

Závěrem bych rád poděkoval Janu Nerudovi a jeho Písním kosmickým za značnou dávku inspirace. Nechci končit příliš pateticky, a proto věřím, že poslední sloku jeho nadčasové básně laskavý čtenář buď zná, anebo si ji dokáže najít.

Poznámky

1) The Internal Constitution of the Stars, předneseno na zasedání Britské astronomické asociace, publikováno v The Observatory 43, 341, 1926 (No. 557)
2) Byly položeny i základy k vývoji takzvaného inerciálního udržení, které ve své podstatě předpokládá zvládnutí velmi malých výbuchů, odpalovaných například lasery. Inerciální fúze od té doby dodnes píše svoji vlastní historii, plnou nadějí, zklamání a vojensko-politických ambicí. Ze své praxe ji ovšem neznám, a proto se zde raději věnuji jen cestě k tokamaku ITER.
3) Sovětský svaz správně, ale poněkud předčasně vsadil na supravodivá zařízení. Projekt tokamaku T-20 musel být redukován na T-15, který sice byl vybudován, ale z ekonomických a technických důvodů nebyl nikdy uveden do trvalého provozu. Jeho koncepce mezitím zastarala.
4) G. McCracken a P. Stott v knize „Fusion: The Energy of the Universe“ (brzy se dočkáme i jejího českého vydání).
5) „Oba státníci zdůraznili potenciální význam prací směřujících k využití řízené termonukleární fúze pro mírové účely a v této souvislosti vyzývají k rozvoji co možná nejširší mezinárodní spolupráce směřující k zvládnutí tohoto zdroje energie, který je prakticky nevyčerpatelný, k užitku celého lidstva.“ Tento odstavec ze závěrečného společného prohlášení je považován za okamžik zrodu projektu ITER.

ZVRÁCENÝ PÁN, NEPŘEKONATELNÝ SLUHA
Roznětkou vodíkové bomby je štěpná bomba. Už sama roznětka je tedy naprosto neslučitelná s prospěšným využitím energie. Bylo proto nutné hledat nový princip zapálení fúze. Od počátku bylo zřejmé, že se výzkum fúze bude točit kolem velmi vysokých teplot. Fúze je totiž jadernou analogií chemického hoření: oheň se zapálí teprve v okamžiku, kdy dodáním energie zvenčí dosáhneme potřebné zápalné teploty, a plameny si pak potřebnou teplotu udržují samy. Podobně i k zapálení termonukleární fúze je nejprve nutné dosáhnout vysoké teploty, kterou pak může „fúzní hoření“ samo udržovat. Teplota je makroskopickým projevem průměrné rychlosti částic látky a hoření je v obou případech makroskopickým projevem nepředstavitelného množství jednotlivých reakcí mezi částicemi. Při každé reakci se dvě částice musí srazit rychlostí dostatečně velkou k tomu, aby překonaly bariéru vzájemných odpudivých (elektrických) sil, a při každé reakci se uvolní energie ve formě vyšší rychlosti rozlétávajících se produktů.

Po dosažení zápalné teploty je četnost jednotlivých reakcí tak veliká, že uvolňovaná energie stačí na pokrytí makroskopických energetických ztrát. V případě fúze atomových jader vychází zápalná teplota asi milionkrát vyšší než v případě chemického hoření, které je reakcí mezi atomy. Zato je energie uvolněná z každé jednotlivé fúzní reakce mnohem vyšší, dokonce více než milionkrát, takže si fúze vystačí s nesrovnatelně menším množstvím paliva než oheň, a tedy také produkuje nesrovnatelně méně spalin.

Velmi vysoké teploty znamenají, že fúze může probíhat pouze v plazmatu, tj. v plynu, ve kterém intenzita srážek dostoupila takové hodnoty, že se atomy rozbíjejí na ionty a elektrony. Plazma je velmi zajímavé skupenství hmoty, protože v něm vedle obvyklých srážek vstupují do vzájemného působení mezi částicemi i dalekodosahové síly elektrické a magnetické. To na jednu stranu nesmírně komplikuje jeho chování, na druhou stranu to umožňuje spoutávat plazma magnetickým polem a také jej poměrně snadno ovlivňovat (zejména ohřívat) vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem.

Od samotného počátku výzkumu fúze bylo navíc zřejmé, že řízená fúze bude bezpečný proces. Fúze není řetězovou reakcí – palivo bude do fúzního reaktoru dodáváno průběžně. Podmínky na Zemi, zejména složení a tlak atmosféry, jsou sice poměrně vhodné pro požáry, ale pro fúzi existují vhodné přirozené podmínky jen ve středu hvězd. Na Zemi se může dosáhnout fúzního hoření buď jen na zlomek sekundy, nebo jen v plazmatu o velmi nízké hustotě, izolovaném od pevných látek magnetickým polem. Pokud se fúzní proces ocitne v přímém kontaktu s hmotou v pozemských podmínkách, okamžitě vychladne, a tím zanikne.

Mnoho vědců i snílků je samozřejmě stále fascinováno i vidinou tzv. studené fúze, která by mohla být jadernou paralelou toho, co v chemii známe jako katalytické spalování. S výjimkou tzv. mionové katalýzy (která má zřejmě jen mizivé naděje na energetický zisk) se však metodika dnešního výzkumu studené fúze nápadně podobá tápání alchymistů (viz Vesmír 67, 192, 1988).

PROČ JE ITER VELIKÝ?
V roce 1955 odvodil britský inženýr John D. Lawson (*4. 4. 1923) základní kritéria pro užitečný fúzní reaktor – tenkrát byla ještě publikována jako důvěrný dokument jaderného výzkumu. Záhy došlo k úplnému odtajnění výzkumu řízené fúze a Lawsonův dokument byl zveřejněn v roce 1957. V článku autor opakovaně zdůrazňuje, že kritéria pro užitečný reaktor vycházejí velmi tvrdá. V nedávném rozhovoru k 50. výročí kritérií Lawson uvádí, že hlavní motivací k jeho fundamentální práci byla vnitřní potřeba inženýra „uzemnit“ nerealistická očekávání fyziků: „Byl jsem si jist, že se v životě fúzní energie nedočkám.“ Nedostatek technicky uvažujících odborníků byl (a mnohdy stále je) pro výzkum fúze charakteristický. Jen tak se asi mohlo stát, že se před Lawsonem zřejmě nikdo neobtěžoval poměrně jednoduchá kritéria pro užitečný reaktor odvodit.

V dnešní podobě se Lawsonova kritéria pro oblast, ve které pracují tokamaky, uvádějí ve formě trojného součinu, tedy jako jediná mez pro součin tří parametrů: hustoty plazmatu, jeho teploty a doby udržení jeho tepelné energie. Při překročení této kritické meze dojde k zapálení fúze, čili bude dosaženo kvalitativně nového procesu, ve kterém existence horkého plazmatu přestane být závislá na ohřevu zvenku.

Oblast teplot, ve které platí trojný součin, je velmi úzce vymezená: přibližně sto až dvě stě milionů stupňů. Při nižších teplotách je příliš nízká četnost fúzních reakcí, při vyšších teplotách neúměrně narůstají energetické ztráty plazmatu. V dnešních experimentech je tato optimální teplotní oblast beze zbytku zvládnuta, mnohé experimenty ji dokonce „přestřelují“.

Dosažitelná hustota plazmatu je dána nejvyšším magnetickým polem, které mohou velká zařízení kontinuálně zajistit bez toho, aby byla jejich konstrukce mechanicky ohrožena pod působením mocných magnetických sil. Jde řádově o několik Tesla (JET až 4 T, ITER až 5 T). Při takovém magnetickém poli se daří zvládnout plazma o tlaku přibližně jedné atmosféry. Protože je teplota plazmatu (měřená v kelvinech) o šest řádů vyšší než teplota atmosféry, znamená to, že se daří zvládat hustoty plazmatu zhruba o šest řádů nižší, než je hustota atmosféry (tlak je úměrný součinu hustoty a teploty). Zde je nutné podotknout, že množství uvolňované fúzní energie bude už při takto nízkých hustotách na hranicích možností materiálů vnitřní stěny reaktoru. Jinými slovy, v malých reaktorech s velkou hustotou plazmatu by byl kontinuální provoz tak jako tak nejspíš vyloučen kvůli přehřívání stěny.

Z trojného součinu, stanovené oblasti teplot a zvládnutelné hustoty plazmatu pak vychází, že pro zapálení musíme dosáhnout dobu udržení tepelné energie přibližně pět sekund. Doba udržení přitom nesouvisí s dobou trvání plazmatu – plazma dnes ve velkých tokamacích existuje až desítky sekund a v supravodivých zařízeních i desítky minut. Naproti tomu doba udržení udává poměr celkové tepelné energie plazmatu k jeho celkovým energetickým ztrátám (pro plazma v energetické rovnováze). V dobrém přiblížení jde o průměrnou dobu, za jakou se ionty a elektrony dostanou difuzí (náhodným, chaotickým pohybem) z centra plazmatu na jeho okraj.

Dobu udržení tepelné energie lze zlepšit v podstatě dvěma způsoby. Zaprvé se můžeme pokoušet o sestavení rafinovanější magnetické pasti, ve které bude plazma lépe spoutáno. Právě v tomto ohledu jsou tokamaky dosud tím nejlepším řešením. Zadruhé můžeme zvětšovat velikost plazmatu: Přibližně platí, že doba difuze částic z jednoho místa na druhé je úměrná druhé mocnině překonané vzdálenosti. Jestliže je tedy v tokamaku JET experimentálně zjištěná doba udržení kolem jedné sekundy a ITER bude dvakrát větší než JET, můžeme reálně předpokládat, že ITER bude mít dobu udržení kolem čtyř sekund.

FÚZE JAKO NADĚJE I JAKO DOBRODRUŽSTVÍ POZNÁNÍ
Kdy se tedy fúze stane průmyslovým zdrojem energie? Této všudypřítomné otázce bych se mohl snadno vyhnout konstatováním, že odpověď bude nadále záležet především na práci inženýrů. Nicméně v současné době se odhaduje, že v ideálním případě může první demonstrační fúzní elektrárna pracovat zhruba za 35 let, a k průmyslovému rozšíření proto může dojít v druhé polovině století. Z hlediska řešení klimatických problémů to je a není pozdě: potřebujeme, aby emise CO2 byly tou dobou už za maximem, fúze ale může pomoci s tím nejtěžším – s jejich dalším výrazným snižováním.

V uplynulých padesáti letech se fyzikům podařilo takřka nemožné, totiž zvládnout kontinuální řízení plazmatu při požadované teplotě, bohužel s nečekaně vysokou difuzí tepla a na poměrně komplikovaných zařízeních. Další, přinejmenším stejně náročné úkoly mají praktičtější ráz: stavba dostatečně velkého, a navíc supravodivého reaktoru, zvyšování jeho spolehlivosti, a především vývoj vhodných materiálů, které budou muset po řadu let odolávat vysokému tepelnému, radiačnímu a mechanickému namáhání. Fyzika jako přírodní věda se zřejmě ocitá tak trochu ve vleku událostí. Troufám si říci, že to je dobře, protože se před vědci otevírá nová krajina, kterou by bylo škoda pro samé starosti nevidět. Například už na tokamaku JET lze pozorovat – na rozdíl od většiny malých fúzních experimentů – řadu zajímavých jaderných procesů. O výzkum projevují čím dál větší zájem také chemičtí fyzikové a fyzikové pevných látek, a to zejména ve vztahu k reakcím okraje plazmatu s materiálem vnitřních stěn reaktoru – s rostoucím výkonem zařízení jde o čím dál tím významnější a obsažnější téma. Mnoho hlav je a bude zaměstnáno otázkami stability plazmatu, zvláště pak kmitáním magnetických siločar při ohřevu plazmatu prostřednictvím fúzních produktů. Hlavním cílem hledačů pokladů ovšem zůstává skutečné pochopení toho, proč je difuze tepla v plazmatu tak vysoká, spojené s určitou nadějí na to, že se poté podaří difuzi nějakým uvědomělým zásahem výrazně snížit. Fúzní reaktory by pak mohly být menší a mohli bychom začít uvažovat i o fúzních reakcích bez tritia nebo o fúzním pohonu kosmických lodí.

Nikdo dnes nepochybuje o tom, že hlavní příčinou anomálně vysoké difuze v horkém plazmatu jsou turbulence. Turbulentní jevy se zatím jako takové zcela vymykají naší schopnosti chápat chování základních fyzikálních veličin pomocí jednoduchých matematických vzorců. Ostatně jen za vytvoření matematické teorie vysvětlující Navierovy-Stokesovy rovnice (základní rovnice popisující chování tekutin) nabízí americký Clay Mathematics Institute od roku 2000 odměnu rovný milion dolarů. Ke všemu lze očekávat, že v běžných tekutinách budou mít turbulentní jevy mnohem jednodušší souvislosti než v plazmatu, kde turbulence nutně vedou i k fluktuacím elektrických a magnetických polí. Takové fluktuace silově působí na nabité částice plazmatu přes poměrně velké vzdálenosti a vyvolávají tak sérii vzájemně provázaných makroskopických změn – plazma má „kolektivní chování“. Teoretikové se dnes omezují převážně na velmi složité počítačové modelování těchto procesů, ale (přinejmenším tajně) každý doufá v nějaký ten průlom do samotných základů našeho chápání fyziky plazmatu.

ČESKÁ ÚČAST
Devadesátá léta byla velmi hubená jednak ve světě pro výzkum fúze, jednak u nás pro vědu vůbec. Přesto se pražskému Ústavu fyziky plazmatu podařilo udržet v chodu malý tokamak Castor, jehož hlavní konstrukční součásti ještě pocházejí z počátků vývoje tokamaků v Moskvě před padesáti lety. Dlužno říci, že jsme do Evropské unie s tokamakem vstoupili jako jediní. To už jsme byli několik let řádnými signatáři Evropské dohody o rozvoji fúze (European Fusion Development Agreement, EFDA), která sdružuje EURATOM a desítky evropských laboratoří zapojených do výzkumu fúze. EFDA je mimo jiné i uživatelem dosud největšího tokamaku JET. Jako řádní členové Evropské unie budeme mít i plný přístup ke spolupráci na projektu ITER a české podniky mohou být zařazeny do databáze jeho potenciálních dodavatelů.

Jak v Evropě a ve světě ožívá výzkum fúze, silně narůstá i soutěž o místo na výsluní. Naštěstí v tomto klíčovém okamžiku Česká republika nezaspala a naši odborníci dokázali nabídnout a prosadit řadu odvážných projektů. Zaprvé je to instalace většího a mnohem modernějšího tokamaku Compass-D, která bude probíhat v příštích třech letech. Jeho plazma se bude tvarem blížit plazmatu tokamaku ITER v měřítku přibližně 1 : 10, půjde tedy o velmi vhodné zařízení pro podobnostní studie. Compass-D byl před deseti lety vlajkovou lodí britského fúzního výzkumu, než jej vystřídal ambicióznější tokamak MAST. Zadruhé Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT nabízí od příštího akademického roku nové studijní zaměření „Fyzika a technika termonukleární fúze“, které obsahově sleduje právě otevřený Evropský magisterský kurz fúze. Naši studenti se tak budou moci nasměrovat k tomu nejlepšímu, co obor nabízí. V EFDA se čím dál více mluví i o české účasti v technologickém výzkumu, velký zájem je například o spolupráci s Ústavem jaderného výzkumu a. s. v Řeži. Podaří-li se nasazené tempo dlouhodobě udržovat, mohli bychom se stát plnohodnotnými partnery našich západních sousedů dříve, než bude dokončen ITER.

Soubory

článek ve formátu pdf: 200606_V356-361.pdf (542 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky