Český fúzní reaktor převezme štafetu od Američanů

Budou tomu dva roky, co z proslulé americké výzkumné univerzity Massachusetts Institute of Technology (MIT) přišla zpráva o světovém rekordu. Týkal se výzkumu jaderné fúze, která by mohla výhledově zajistit energetické potřeby lidstva na celá tisíciletí – a to z ekologického hlediska velmi šetrným způsobem. Štafetu by měl v rámci takového výzkumu převzít nový fúzní reaktor COMPASS-U v Praze. Směřuje k tomu také česká vědecká diplomacie.

O jaký světový rekord v MIT šlo? Ve fúzním reaktoru Alcator C-mod dosáhli američtí vědci tlaku plazmatu 2,05 atmosféry, což se nikomu jinému nepodařilo. Právě schopnost dosáhnout vysokého tlaku vodíkového plazmatu díky jeho vysoké hustotě a teplotě (v tomto případě více než 35 milionů stupňů Celsia) je jedním z klíčových parametrů pro využití fúze jader atomů lehkých prvků k výrobě energie – na rozdíl od dnes známějšího štěpení jader atomů těžkých prvků v jaderných elektrárnách.

Jistě, zpráva o rekordu měla především vyslat do světa signál i pro širší veřejnost, že intenzivní úsilí o využití termonukleární fúze stále pokračuje. Ředitel pražského Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd Radomír Pánek upozorňuje, že rekord je spíše symbolickým vyvrcholením kvalitního výzkumu, který v MIT díky tamnímu fúznímu reaktoru – neboli tokamaku – realizovali.

K tomu je nutné dodat, že rekord tokamaku Alcator C-mod padl na úplném konci jeho života – v MIT dosloužil a svět od té doby nemá náhradu. Tento reaktor měl totiž dvě důležité vlastnosti zároveň – za prvé generoval silné magnetické pole, jež slouží k udržení (izolaci) horkého plazmatu, a za druhé tvar plazmatu, který se podobá tomu, jež bude mít plazma v budoucím mezinárodním reaktoru ITER, budovaném ve Francii. A projekt ITER je v tomto ohledu klíčový pro vědce z celého světa – spolupracují na něm Evropané, Američané, Rusové, Číňané, Indové, Korejci i Japonci.

Míč na české straně

Na fúzní reaktor z MIT by měl nyní navázat nový český tokamak COMPASS-Upgrade. Ústav fyziky plazmatu Akademie věd dnes využívá výzkumnou infrastrukturu, jejímž srdcem je stávající experimentální reaktor COMPASS. Zhruba za pět let ho má nahradit nový tokamak, na jehož vybudování ústav získal téměř 800 milionů korun z fondů Evropské unie. Konkrétně z Operačního programu Výzkum, vývoj a vzdělávání, který spadá pod české ministerstvo školství. Další části současné infrastruktury včetně budov, energetických zdrojů a diagnostického systému budou zachovány a rozšířeny.

COMPASS-U, jehož hmotnost dosáhne přes 250 tun, jako jediný na světě bude splňovat stejná zmiňovaná kritéria současně jako dříve tokamak z MIT, a zároveň by ho měl i v řadě dalších parametrů překonávat. Velikost jeho magnetického pole bude na úrovni 5 Tesla, geometrie plazmatu bude podobná té v tokamaku ITER a především – což je podle Radomíra Pánka zvláště důležité – prototypu reaktoru budoucí evropské fúzní elektrárny DEMO, jejíž výstavba naváže právě na projekt ITER.

„Návrh tokamaku COMPASS-U vychází z detailního studia obdobných zařízení ve světě a reaguje na klíčové výzvy, které lze v této oblasti identifikovat,“ uvádí český vědecký diplomat ve Washingtonu Luděk Moravec, který dojednává spolupráci s ministerstvem energetiky USA.

Letos v červenci navštívila pražský Ústav fyziky plazmatu americká delegace, v níž byli zástupci předních výzkumných organizací a firem – včetně MIT, Princeton Plasma Physics Laboratory nebo General Atomics. „Zájem amerických vědců byl velký, rádi by se zúčastnili jak výstavby, tak budoucího vědeckého využívání tokamaku COMPASS-U. Nyní jednáme o možné finanční podpoře amerického ministerstva energetiky,“ říká Radomír Pánek.

Plazma mění chování

Spolupráce s Američany se vyloženě nabízí ve dvou oblastech. První možný směr se týká spolupráce na vývoji technologie tokamaku se silným magnetickým polem a související fyziky fúzního plazmatu. Druhou oblastí je výzkum využívání technologie tekutých kovů ve fúzních reaktorech.

V tom prvním případě se vracíme k výzkumu, jehož výsledky zaznamenala veřejnost díky zmiňovanému rekordu tokamaku Alcator C-mod. „Tyto experimenty naznačují, že při vysokém magnetickém poli o velikosti kolem 5 Tesla, se kterým bude pracovat jak ITER, tak i reaktor DEMO, se plazma začíná chovat částečně jinak – stabilněji,“ vysvětluje ředitel Pánek. Nyní jde o to, aby výsledky z MIT v tomto ohledu potvrdil – a navázal na ně – další tokamak. Vzhledem k výše uvedeným parametrům toho nebude v dohledné době schopen kromě chystaného COMPASS-U žádný jiný fúzní reaktor na světě.

To je ostatně patrné i z popisu projektu v žádosti ohledně čerpání evropských financí. COMPASS-U je podle něj unikátní zařízení, které v současné době chybí jak v evropském fúzním programu, tak celosvětově.

Tekuté kovy

Pokud jde o využívání tekutých kovů (jako například lithia, cínu nebo jejich slitin), příslušný výzkum souvisí se širším tématem – jak docílit bezproblémového odvodu plazmatu a energie z centra plazmatu ven z reaktoru přes takzvaný divertor. Ten bude sloužit k přenášení energie z tokamaku do primárního a následně sekundárního okruhu budoucí fúzní elektrárny, který se ostatně podobá dnešním tepelným elektrárnám nebo sekundárním okruhům stávajících jaderných elektráren – teplo slouží k vytváření páry, která pohání turbínu.

Potíž je v tom, že extrémní toky energie kladou vysoké nároky na materiály, z nichž budou vyrobeny jednotlivé části tokamaku, a především právě divertor. Tato část tokamaku musí snést podobný tok energie, jako by se nacházela blízko povrchu Slunce. Zde tekuté kovy představují slibnou technologii, která by mohla zajistit neustálé obnovování povrchu divertoru, který by jinak pod extrémním tokem energie z plazmatu rychle degradoval a zničil by se.

„Největší zkušenosti mají v této oblasti výzkumu kolegové z USA a Ruska. COMPASS-U ovšem bude prvním zařízením, které bude schopné testovat tuto technologii za podmínek v mnoha ohledech blízkých budoucím fúzním elektrárnám,“ dodává Radomír Pánek. Zájem o spolupráci v této oblasti projevila zvláště americká národní laboratoř Princeton Plasma Physics Laboratory.

Také evropské konsorcium EUROfusion, které koordinuje termonukleární výzkum v rámci Evropské unie, předpokládá, že tokamak COMPASS-U bude představovat evropské testovací zařízení pro využití technologií tekutých kovů ve vývoji zdroje energie na principu termonukleární fúze.

Americký obrat

Zatímco se Čechům daří získávat poměrně významnou roli ve výzkumu jaderné fúze Evropské unie a konkrétně konsorcia EUROfusion, otázkou bylo, jak silnou podporu budou mít pro svou práci na termonukleární fúzi vědci ve Spojených státech. Americké prostředí je známé neutuchajícími diskusemi, jaký konkrétní výzkum podpořit či nepodpořit. Zdálo se, že jaderná fúze by nemusela mít za administrativy Donalda Trumpa právě na růžích ustláno, ale v posledních měsících se ukazuje spíše pravý opak.

Vědecký diplomat Luděk Moravec uvádí, že jaderná fúze nyní získává v americké vládě větší pozornost, což vyvrcholilo letošním posílením rozpočtu na relevantní výzkum o zhruba 40 procent. „Z toho největší díl představuje posílení americké účasti v projektu ITER,“ upozorňuje Moravec. Z českého hlediska může být příznivou okolností i další Moravcův postřeh: „Administrativa prezidenta Trumpa trvá na aktivním a zevrubném hledání synergií u vědeckých infrastruktur budovaných v zahraničí, namísto udržování maximálního spektra těch vlastních.“

Sdílení know-how

Z hlediska výhod česko-americké spolupráce pak bude důležité nejen to, jaký finanční přínos americká strana nabídne a zda by Američané mohli přispět do výzkumné infrastruktury v pražském Ústavu fyziky plazmatu také částí přístrojového vybavení.

Tou naprosto klíčovou příležitostí je totiž pro obě strany oblast znalostí a celkového výzkumného potenciálu. „Američané získají možnost pokračovat ve výzkumu a rozvíjet své know-how. Pro nás je samozřejmě velmi lákavé to, že bychom mohli s předními americkými výzkumnými institucemi sdílet jejich zkušenosti a know-how,“ říká Radomír Pánek.

Ostatně i čeští vědci navazují na dlouholetou tradici výzkumu jaderné fúze a jejich poznatky bezpochyby platí za velmi přínosné pro světovou vědeckou komunitu. Když se vrátíme do historie, českoslovenští vědci byli v polovině 70. let minulého století prvními, kteří přinesli experimentální důkaz, že vysokofrekvenční vlna v plazmatu může vléct elektrický proud. A právě elektrický proud v tokamaku je klíčový pro udržení plazmatu i jeho stabilitu.

České tokamaky

O pokroku, který Češi zaznamenali, ostatně tak trochu vypovídá historie tuzemských tokamaků. V Česku jsou nyní dva. Starší tokamak (dnešní název Golem), který v současnosti slouží ke studijním účelům na Fakultě jaderné a fyzikálně-inženýrské ČVUT v Praze, Češi získali v roce 1974 z moskevského Ústavu atomové energie I.V. Kurčatova. Později prošel modernizací a dlouho sloužil Ústavu fyziky plazmatu. Druhý tokamak – zmiňovaný COMPASS, který využívá Ústav fyziky plazmatu dnes – dorazil do Prahy z britského centra pro fúzní energii v Culhamu u Oxfordu v roce 2006.

Britové na začátku tisíciletí zkonstruovali jiný tokamak MAST, ale vzhledem k tomu, že COMPASS stále nabízel významný potenciál k využití, Evropská komise ho poskytla Čechům, kteří si pro něj vybudovali novou infrastrukturu. Nyní se díky chystanému unikátnímu projektu COMPASS-U rýsuje možnost, že by naopak Češi předali stávající experimentální reaktor některému ze svých zahraničních partnerů, kteří již neformálně projevili zájem.

„Dostali jsme se do fáze, kdy díky finanční podpoře Evropské unie a postupně budovanému vlastnímu know-how ambiciózního mladého týmu dokážeme sami vyvinout tokamak s unikátními parametry. A naopak si můžeme dovolit předávat dál zařízení, které jsme využívali dosud,“ poznamenává ředitel Pánek.

Autor článku je konzultantem a specialistou pro energetické projekty agentury HATcom.

Úvodní fotografie: řez tokamakem COMPASS-U