Český podíl na prvním fúzním reaktoru

Znáte slogan „Nejsme čipsy, jsme brambůrky“? Petr Hobža ze Strakonic, který začínal se šesti kilogramy brambor upravovanými na teflonové pánvi ve stánku na koupališti, nyní denně na výrobu brambůrků (ne čipsů) spotřebuje 40 tun brambor. Zpracovává je na unikátní lince vlastní konstrukce složené z komponent jiných amerických či japonských linek. Česká republika se zkrátka umí zviditelňovat důvtipem českých mozků a umem českých rukou. A zdaleka ne jen v souvislosti s brambůrky, tvarůžky a pivem: um a vyspělost společnosti se měří účastí na mezinárodních vědecko-technických projektech. Několik českých strojírenských a technologických firem se podílí i na největším pozemském energetickém projektu pro budoucnost – na stavbě mezinárodního termojaderného experimentálního reaktoru ITER v jižní Francii v Cadarache.

Fúzní výzkum v členských zemích koordinuje a spolufinancuje pomocí evropského grantu konsorcium EUROfusion. Členem konsorcia za Českou republiku je Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i. CV ŘEŽ, vysoké školy Universita Karlova (MFF) a České vysoké učení technické (FJFI) se činnosti konsorcia účastní jako přidružené třetí strany. Tyto čtyři instituce také založily společnost Česká fúze (Czech Fusion Society). Jedním z cílů společnosti bude vytvořit základnu pro ještě širší spolupráci v oblasti fúze.

Česká věda a technologie na tokamaku ITER

Centrum výzkumu Řež, s. r. o., převzalo od mateřského ÚJV (dříve Ústav jaderného výzkumu) Řež, a. s., koordinaci činností českých firem v rámci skupiny Czech industry for ITER: testování materiálů primární stěny obalu tokamaku ITER a vývojově-výzkumné práce na modulu TBM (Test Blanket Modul – testovací modul obalu).

Neutronové experimenty v Řeži

V roce 2004 byla zahájena konstrukce aktivní vnitroreaktorové sondy TW3 pro testování vzorků první stěny reaktoru ITER. Skupině vědců a techniků se pod vedením Tomáše Klabíka podařilo vyvinout reaktorovou sondu, která překonala všechna ostatní podobná zařízení na světě. Sonda umožnila v aktivní zóně řežského jaderného reaktoru LVR-15 cyklicky ohřívat a ochlazovat vzorky první stěny reaktoru ITER a v letech 2010-2012 v rámci testů dosahovala při souběžném radiačním a neutronovém ozařování rekordních 17 000 teplotních cyklů. Jiná podobná zařízení nedosáhla ani poloviny. Další řežský specialista, Ing. J. Kysela, prosadil do projektu experimentálního zařízení pro testování komponent fúzního reaktoru vysokým tepelným tokem výstavbu makety testovacího modulu blanketu (TBM) v měřítku 1:1 pro nácvik a testování dálkové manipulace s komponentami TBM a vybudování nové neutronové laboratoře se zdrojem fúzních neutronů 14 MeV. Neutronový zdroj generuje fúzní neutrony o energii 14 MeV vhodné pro měření smíšených polí neutronů a gama záření, typických pro fúzní reaktory, validaci, verifikaci a testování počítačových kódů a doplnění knihoven jaderných dat pro jadernou fúzi. S využitím cyklotronu Ústavu jaderné fyziky Akademie věd ČR, v.v.i., vznikly vysoce výkonné zdroje rychlých neutronů, které – jako jediná zařízení v rámci zemí EU - umožňují simulovat neutronová pole v budoucím testovacím zařízení. Fúzní neutrony se generují bombardováním tritiového terče jádry deuteria, které se urychlují v kompaktním lineárním urychlovači.

Ústav aplikované mechaniky Brno, s. r. o.

Tento brněnský ústav vyvíjí a zlepšuje metodiky pro predikci deformací velkých a složitých svařovaných konstrukčních celků. Především se jedná o svařování vakuové nádoby reaktoru. Všechny metody se ověřují pomocí experimentálních měření. V souvislosti se stanovením napětí a deformací segmentů vakuové nádoby ITER provedl již ÚAM Brno v posledních osmi letech pro zahraniční zákazníky řadu zakázek.

Heliové turbocirkulátory z Hradce Králové

V letech 2009 až 2013 vyvinula, vyrobila a dodala firma ATEKO Hradec Králové pět souborů turbocirkulátorů, které jsou součástí okruhů pro transport tepla z fúzního zařízení ITER tlakovým heliem. Turbocirkulátory jsou i součástí testovacích okruhů pro řešení obdobných problémů štěpných reaktorů. Na pracovištích ENEA v Brasimore, KIT Karlsruhe a CEA Cadarache se úspěšně dlouhodobě testují jejich technické parametry a spolehlivost.

Turbocirkulátory umějí čerpat helium, které bude chladit některé ze šesti verzí TBM (Test Blanket Moduls – Zkušebních modulů obalu). TBM naplněné lithiem budou zavěšeny na vnitřní stěně vakuové komory ITER a budou studovat plození tritia ostřelováním lithia fúzními neutrony. Reakce lithia s neutrony je exotermická, teplota TBM bude nejméně 500 ^oC. Teplo se bude odvádět cirkulujícím tlakovým heliem uváděným do pohybu právě turbocirkulátory Ateka. Pracují při zkušebním tlaku 20 MPa a jejich lopatková kola se točí rychlostí až 78 000 otáček za minutu!

Obří kryotanky z Děčína

O bezesporu největší dodávku pro ITER, která překročila hranice České republiky, se postarala firma Chart Ferox z Děčína. Vyrobila dva z největších tanků, které tvoří část kryohospodářství tokamaku ITER; to je samo o sobě největší kryohospodářství na světě. Na výrobu obrovských kryoválců podepsala s Domácí evropskou agenturou (Domestic Agency F4E (Fusion for Europe)) smlouvu společnost Air Liquide. Každý válec má rozměry 35 m × 4,5 m. Ze středomořského nákladního přístavu Fos-sur-Mer, který je součástí Marseille, ho poveze po upravených silnicích cca 100 kilometrů na stavební plochu tokamaku ITER v Cadarache zvláštní konvoj. Jednotlivé části největšího kryohospodářství na světě se rychlým tempem shromažďují v Cadarache poblíž trojice budov zvané Tokamak complex.

Kryotanky = „úschovna“ helia

Na výrobu obou nádrží, kterou v Děčíně zahájili v srpnu minulého roku a dokončili letos na jaře, dohlížely F4E a ITER International Organization. Zařízení ITER použije výkonné supravodivé magnety pro izolaci horkého plazmatu, jehož teplota dosáhne 150 miliónů stupňů. Nízkoteplotní supravodič funguje až při teplotě -269 ˚C. Může se stát, že supravodivé magnety mohou z nejrůznějších příčin náhle lokálně pozbýt supravodivosti. Nevyžádaný jev – skoková ztráta supravodivosti – se nazývá „quench“. Po ztrátě supravodivosti okamžitě vzroste elektrický odpor a teplota vyskočí o 50 ˚C. Slabší magnetické pole pak nedokáže udržet plazma. Rostoucí teplota supravodiče ohřívá helium cirkulující v supravodičích. To zvětšuje svůj objem a je ho třeba ze systému odstranit. V tom okamžiku se role ujímají dva gigantické quench-tanky. Pokud se tekuté helium začne v důsledku zvýšené teploty vypařovat, plyn se směruje do tanků, kde se skladuje při teplotě -196 ˚C.

Dvě nádrže jsou pro činnost kryogenického systému největšího fúzního zařízení a jeho zprovoznění klíčové. Jsou výsledkem hladké spolupráce mezi F4E a Air Liquide. A Češi jsou zase u toho!

Jaký je mezi českými firmami zájem o prestižní projekt ITER, je vidět i z toho, že 14. dubna 2016 se tradičního „Průmyslového dne [Industry Day, ID]“, pořádaného Ústavem fyziky plazmatu AVČR, v.v.i., zúčastnilo na 30 účastníků z různých společností, včetně Centra výzkumu Řež, NUVIA a. s., Škody JS a. s., DEL a. s., ProjectSoft HK a. s., SVÚM a. s. a MICO spol. s r. o.