Deuteriovo-tritiové kampaně

První fúzní elektrárny budou spalovat směs izotopů vodíku – deuterium D (těžký) a tritium T (supertěžký). Směs DT má totiž ze všech známých fúzních paliv nejnižší zápalnou teplotu. Dnes se často mluví i o reakci vodíku s borem 11, protože při ní nevzniká nepříjemný neutron, který při DT reakci způsobuje sekundární radioaktivitu konstrukčních materiálů a zhoršuje jejich vlastnosti. Tato reakce však má 20-krát vyšší zápalnou teplotu, což je mimo dosah současné fúzní technologie. Ve významném měřítku dokázaly uvolnit fúzí jadernou energii zatím jen dva tokamaky: JET a TFTR. Podívejme se na přehled DT kampaní.

Zatímco Joint European Torus v anglickém Abingdonu u Oxfordu i v současné době spolehlivě funguje, americký Tokamak Fusion Test Reactor (Princeton, New Jersey) na jaře roku 1997 rozebrali, neboť USA potřebovaly peníze na obranu – a na vědu se nedostávalo. Paradoxně ještě téhož roku dosáhl JET pozoruhodných výsledků, když vytvořil dosud platné rekordy ve fúzním výkonu (16,5 MW), fúzní energii (22 MJ) a v ziskovém koeficientu (Q = 0,65). To znamená, že vyrobená energie činila 65 % energie, kterou bylo nutné do uskutečnění reakce vložit. Q = 1 by měl dosáhnout ITER, a pak už by měl výtěžek jen stoupat...

Od roku 1997, od svých rekordních kampaní, nepoužil evropský tokamak JET „standardní“ fúzní palivo – směs izotopů vodíku deuteria a tritia. Po dvacetileté pauze chystá na rok 2018 třetí DT kampaň. Po celých předchozích 20 let zapaloval výboj jen ve vodíku, v deuteriu či v heliu, aby se předešlo přílišné aktivaci konstrukčních materiálů. Pokud by se do spuštění tokamaku ITER, datovaného do roku 2035, jiná tritiová kampaň neuskutečnila, byla by to od roku 1997 veliká časová prodleva. Nová kampaň s novými pokročilými diagnostickými prostředky by měla přinést nové výsledky týkající se především dynamiky plazmatu a jeho řízení.

Den D tokamaku JET

JET svůj den D prožil 9. listopadu 1991. Tehdy se spokojil s pouhými dvěma výstřely do 1 % tritia a 99 % deuteria. Předcházel totiž spor o to, co zahájit dříve, zda fúzní kampaň nebo instalaci divertoru. Díky prozíravosti a odvaze hlavního konstruktéra tokamaku Henryho Rebuta dostal tokamak JET na svou dobu moderní protáhlý tvar průřezu vakuové komory. V době návrhu se již vědělo, že tento průřez má kladný vliv na stabilitu plazmatu a lépe odolává mechanickým pnutím od magnetických polí izolujících plazma od stěn vakuové komory. Nedlouho před spuštěním tokamaku JET v roce 1982 však profesor Wagner v Garchingu objevil na tokamaku ASDEX režim vysokého udržení plazmatu, který přijal název H-mód. Tokamak JET simuloval průběh magnetických siločar v okolí skutečného divertoru magnetickými cívkami a ukázalo se, že i velký tokamak může s H-modem počítat. Rebut vehementně prosazoval instalaci divertoru, ale Rada ITER chtěla zapálit fúzi, aby uklidnila jak odbornou, tak i laickou veřejnost, že peníze se neutratily zbůhdarma. A to Rebut nevynaložil oproti plánovaným nákladům doslova ani euro navíc, tokamak dokončil včas a jeho parametry převýšily parametry plánované – oproti očekávaným 4,8 MA dosáhl JET v plazmatu celých 7 MA elektrického proudu. Pokud by se v tokamaku zapálila fúze, indukovaná radioaktivita stěny vakuové komory by neumožnila „on line“ instalaci divertoru ve vakuové komoře. Zvítězil jako vždy kompromis. K fúzi sice dojde, ale malé, takže i sekundární radioaktivita bude malá a divertor po předvedení fúze bude moci do komory vložit živá obsluha. Proto pouze dva výstřely a proto pouze 1 % tritia. I tak se novináři dočkali rozsvícení obrazovky pod atakem 1,7 MW uvolněného jaderného výkonu pomocí termojaderné fúze.

Vánoční den D tokamaku TFTR

V ten okamžik Američané vycítili příležitost a vše zaměřili k plnohodnotné fúzi ve směsi 50:50. Stavbu svého TFTR zahájili o dva roky dříve než JET, u prvního plazmatu se náskok zmenšil na půl roku. Zapálení plazmatu doprovázely chvíle téměř mystické. Don Grove stanovil termín na Vánoce 1982. Všichni spěchali tak, že nestačili natáhnout kabely do ovládací místnosti, která byla mimo reaktorovou halu a zřídili provizorní „ovládačku“ pod jednou střechou s reaktorem. Sobí spřežení Santa Klause už téměř tlouklo kopýtky do komína, ale přes mimořádné směny a mimořádný spěch zdaleka nebylo vše hotovo. A byl tu 23. prosinec. Don Grove prohlásil, že budou pracovat do dvou hodin do rána a pak to vzdají. Bylo 1:55 a věřte nevěřte – hodiny na stěně reaktorové haly se zastavily. Práce tedy pokračovala. První výstřel do plynu se tak odehrál ve 3 hodiny na Štědrý den. Otevřelo se šampaňské a šťastní a notně unavení vědci a technici se rozešli ke svým rodinám.

Evropa se s Amerikou sázela

1 MA elektrického proudu v plazmatu měli Evropané dříve. Američané museli po prohrané sázce přivézt bednu kalifornského vína. Princeton prohlásil, že 1 % tritia není žádná fúze a budou to oni, kdo zapálí rovnocennou směs deuteria a tritia. V anglickém Culhamu zatím pokračovala instalace divertoru, takže Evropa nechala Americe volné pole. Američané pojali svůj den v hollywoodském stylu. Novináři byli přítomni již týden před termínem. Pozvaní a zájemci se v žádném případě do ovládací místnosti nevešli a tak někteří „nešťastníci“ museli sledovat dění na velké obrazovce v přednáškovém sále. Vědci se při zkušebních výstřelech vraceli mezi novináře a VIP hosty a komentovali, co se právě děje. Pak se konečně spustilo dvanáct vysokoenergetických zdrojů neutrálních částic a 40 MW zamířilo do připraveného plazmatu. Scintilátor nasměrovaný do vakuové komory se rozzářil oslnivým světlem a první „opravdová fúze“ na zemském povrchu spatřila světlo světa. Kalendář ukazoval prosinec 1993. Pak tokamak TFTR chrlil rekordní výsledky až do roku 1997, kdy svoji činnost skončil. Zůstalo po něm plazma horké 510 miliónu stupňů s tlakem 6 atmosfér a uvolněný fúzní výkon 10,7 MW, což odpovídalo zisku Q = 0,3.

Třetí DT kampaň tokamaku JET

Další kampaň na tokamaku JET se netrpělivě očekává. Už jen odstranění uhlíkového pokrytí stěn vakuové komory slibuje novinku. Uhlík pohlcuje tritium, takže v roce 2018 ho pro fúzi zbude více.

DT kampaň pinče Z-machine

Nanejvýš zajímavý je i fakt, že nezahálí ani zařízení zcela jiného typu. Z-machine v Sandia Laboratory v Albuquerque, New Mexico v USA, chce v březnu příštího roku spustit plazma iniciované průchodem 20 miliónů ampér drátěnou klíckou a nechat stlačit deuterium s 0,1 % tritia. Během pěti let by pak chtěla Sandia fungovat se směsí až 50:50.

A staví se gigantický tokamak ITER. Ten ovšem počítá s tritiem až okolo roku 2035. Vážení čtenáři, nevíte sami, zda někde nechystají zapálit směs deuteria a tritia? Napsal bych o tom článek.

Ilustrace použity s laskavým svolením ITER Organization.

Tabulka ukazuje všechna zařízení, která mohou nebo mohla s mírně radioaktivním tritiem (poločas rozpadu je 12,5 let) pracovat, a jejich DT kampaně.

Tabulka: Zařízení, která uskutečnila nebo očekávají DT kampaň

(Zdroje: W. Wayt Gibbs: With a touch of thermonuclear bomb fuel, 'Z machine' could provide fusion energy of the future; Science; http://www.sciencemag.org/news/2016/11/touch-thermonuclear-bomb-fuel-z-machine-could-provide-fusion-energy-future)