Na evropském tokamaku JET stojícím ve Velké Británii se podařilo prokázat platnost modelů, které se využívají v oboru jaderné fúze. Před třemi týdny oznámené výsledky naznačují, že slučování atomových jader by se tak skutečně v dohledné době mohlo stát reálně využitelným zdrojem energie.
V polovině minulého století se v pozemských laboratořích podařilo napodobit způsob, jakým si energii vyrábějí hvězdy. A optimismus některých vědců neznal mezí. Z dnešního pohledu velmi naivně předpokládali, že zanedlouho budou hlad lidstva po energii z velké části sytit termonukleární elektrárny. V polovině 20. století ještě netušili, že čím víc se budou snažit dosahovat vyšších parametrů plazmatu, tím víc se tomu bude plazma „bránit“.
Tehdejší modely předpokládaly, že ztráty energie z plazmatu izolovaného ve vakuové nádobě pomocí silného magnetického pole budou jen malé. Mělo se za to, že energie bude „utíkat“ pouze vlivem srážek jednotlivých částic a jejich postupné difúze (posunem) napříč magnetickým polem směrem k okraji plazmatu. Velmi brzy experimenty ovšem fúzním optimistům ukázaly, na jak velikém omylu jsou. Ukázalo se, že zvyšování teploty plazmatu pomocí dodávání energie „zvenku“ je málo účinné. Vede k vyšší intenzitě turbulence a tím k rychlejšímu úniku energie z plazmatu. V důsledku tak nešlo plazma účinně zahřát na „zápalnou teplotu“ potřebnou ke spuštění termonukleární reakce.
Následovaly roky frustrací a neúspěchů. Odborníci o fúzi sice stále snili, ale cesta k praktickému nasazení fúze se stala obtížnou a nejistou. To platilo i na přelomu 70. let a 80. let, kdy ve Velké Británii začala stavba velkého tokamaku JET (Joint European Torus).
Dodnes jde o největší zařízení svého druhu na světě: jeho hlavní poloměr měří 2,96 m, vnitřní pak 1,25 m, vakuová komora ve tvaru blížícím se tvaru písmene D je 2,5 m široká a 4,2 m vysoká. Celkový objem plazmatu dosahuje 100 m3.
V roce 1982, tedy rok před spuštěním britského tokamaku, se německému fyzikovi Fritzi Wagnerovi a jeho kolegům podařilo do značné míry vyřešit problém ztrát. Takto objevený „H-mód“ plazmatu umožnil výrazně zvýšit výkony stávajících zařízení, včetně již budovaného JET. Zvláště, když se podařilo zjistit, jak se plazma do tohoto stavu dostane a jak ho dosáhnout.
MALÝ PŘEDKROK
Náhle znovu svitla naděje, že bude možné postavit zařízení, které by opravdu mohlo vyrábět více energie, než kolik spotřebuje. Něčeho takového však JET dosáhnout nemohl. Jednoduše není dost veliký — a velikost je u tokamaků klíčová. Ve větší komoře se částice paliva, tedy vodíku, mohou déle „zdržet“, a mají tedy více času najít si partnera pro proměnu na helium. V menším zařízení uteče příliš mnoho atomů paliva z plazmatu ven. Doplňovaný vodík se pak musí ohřívat, což stojí spoustu energie, a v důsledku je pak spotřeba zařízení vyšší, než kolik se jí uvolní z fúze.
Prakticky ještě v době, kdy byl JET stavěn a uváděn do provozu, už v hlavách fyziků vznikal projekt velkého mezinárodního reaktoru, který nakonec dostal název ITER. Ten měl být prvním zařízením, v jehož komoře by fúzí mělo vznikat podstatně více energie, než kolik je zapotřebí na její udržení. Poměr se sice trochu měnil se změnami projektu (zmenšoval se kvůli rozpočtu), dnes se ale počítá, že na každou jednotku energie použitou pro ohřátí plazmatu v zařízení připadne 10 jednotek energie uvolněné ze spojování jader. Aby však ITER mohl být energeticky ziskovým, musel být zároveň také největším a nejdražším fúzním reaktorem, jaký byl kdy postaven. Na zařízení, jeho cena zřejmě přesáhne 20 miliard eur, se nakonec složilo několik desítek zemí světa, včetně České republiky.
JET ovšem s podpisem příslušné mezinárodní dohody a začátkem stavby v Cadarache na jihu Francie v roce 2007 neputoval do starého železa. Jeho existence získala nový smysl. V Británii stojící „Společný evropský torus“ slouží především jako zkušební zařízení, na kterém se mají ověřovat postupy a techniky navržené pro ITER. Tokamak kvůli tomu v roce 2011 prošel důležitou rekonstrukcí. Cílem bylo, aby se JET co nejvíce podobal ITERu.
Změn bylo vícero: kupříkladu původní komora pro plazma (tzv. fúzní komora) byla z uhlíku. Uhlíková stěna má řadu příznivých vlastností, problémem ale je, že ji poškozují neutrony vylétající z plazmatu a v uhlíkové vrstvě vzniká i radioaktivita. Atomy uvolňované z uhlíkové stěny navíc znečišťují plazma a zhoršují tím jeho výkony. Komora JETu proto v rámci modernizace dostala nové stěny z berylia a wolframu, tedy ze stejného materiálu, jakým disponuje ITER.
Berylium je vzácný a lehký stříbřitý kov, jenž se používá jen v některých specifických oblastech, třeba v jaderném průmyslu. Zatímco wolfram je těžko opracovatelný kov s teplotou tání 3 400 °C. V JET se používá především na tzv. divertory, které najdete ve spodní části fúzní komory. Jde v podstatě o „výfuk“. Magnetická past v tokamacích není a nikdy nebude dokonalá a částice, které z ní uniknou, se musí z vakuové komory tokamaku odvádět. K tomu právě slouží divertor, který je tak zjevně ohromně tepelně namáhanou součástí tokamaku.
Předpokládá se, že u elektráren budou materiály divertoru muset dlouhodobě snášet tepelnou zátěž podobnou té, které by čelily na povrchu Slunce. Na to zřejmě nebude stačit ani wolfram, proto se dnes vyvíjejí nové metody, jak problém vyřešit. Některé se budou zkoušet i na připravovaném českém tokamaku COMPASS-U.
(Celý článek naleznete v aktuálním vydání Technického týdeníku.)