Současnost a budoucnost evropského fúzního reaktoru JET

Joint European Torus (Společný evropský prstenec) zkráceně označovaný jako JET je ve výzkumném Centru pro fúzní energii v britském Culhamu (Culham Centre for Fusion Energy, CCFE) u Oxfordu v provozu již od roku 1983. Z Culhamu mimochodem pochází i fúzní reaktor COMPASS, který pracuje v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR v Praze a představuje hlavní vědeckou infrastrukturu tuzemského fúzního výzkumu. Reaktor JET byl doposud provozován na základě smlouvy mezi Evropskou komisí a Úřadem pro atomovou energii Spojeného Království UKAEA, avšak Brexit prodloužení smlouvy zkomplikoval. V červenci 2016 se v britském Culhamu konalo mezinárodní jednání o budoucnosti společného evropského fúzního reaktoru JET. V souvislosti s výstavbou nového reaktoru ITER se na jednání hodnotily zkušenosti získané na reaktoru JET a při spouštění nového supravodivého tokamaku JT-60SA v Japonsku.

Reaktor JET

JET je největším fúzním zařízením na světě, které je založené na magnetickém udržení plazmatu, a je nejdůležitějším projektem evropského výzkumného programu jaderné fúze. Byl navržen a později modernizován tak, aby umožňoval studium termojaderného plazmatu s cílem energetického využití jaderné fúze. V roce 1991 dosáhl jako první na světě uvolnění významného množství fúzní energie a v roce 1997 překročil fúzní výkon reaktoru 16 MW. Tím poskytl nezvratný důkaz o uskutečnitelnosti získávání energie pomocí jaderné fúze.

V současnosti zůstává JET na špičce světového fúzního výzkumu. Reaktor JET společně využívá řada evropských fúzních laboratoří sdružených v konsorciu EUROfusion pro výzkum fyzikálních vlastností termojaderného plazmatu, vývoj a testování reaktorových systémů, vývoj a ověřování diagnostických zařízení nebo testování nových konstrukčních materiálů.

Projekt ITER

Dohodu o výstavbě společného mezinárodního experimentálního fúzního reaktoru ITER oficiálně podepsalo v Paříži 21. listopadu 2006 na úrovni ministrů sedm členů projektu. Partnery v projektu ITER se staly Čína, Evropská unie, Indie, Japonsko, Korejská republika, Rusko a USA. Ti se dohodli na dlouhodobé spolupráci a společném vybudování a provozování reaktoru ITER s cílem přípravy realizace demonstrační fúzní elektrárny označované zkratkou DEMO. Reaktor ITER je navržen tak, aby prokázal technickou realizovatelnost jaderné fúze. Po ratifikaci dohody všemi partnery byla 24. září 2007 založena ITER International Fusion Energy Organization (zkráceně ITER Organization, IO). Na základě společného rozhodnutí partnerů se zvolilo místo výstavby reaktoru v jižní Francii, v sousedství výzkumného střediska CEA Cadarache poblíž obce Saint Paul-lez-Durance. Detailní studie ukázaly, že vybraný prostor o rozloze 180 ha splňuje technické požadavky, zejména geologické, hydrologické a seizmické standardy včetně přístupu k vodě a elektřině.

Od zahájení výstavby projekt splnil první důležitý mezník, když byla v roce 2012 ITER Organization licencována jako provozovatel jaderných zařízení. Jde o historicky první fúzní reaktor, který potřeboval a následně získal řádnou jadernou licenci k provozu, podobně jako jaderné elektrárny.

Role reaktoru JET

Již několik let je zřejmé, že se harmonogram výstavby reaktoru ITER opožďuje. Jedním z hlavních důvodů bylo rozhodnutí partnerů o rozdělení výroby většiny komponent reaktoru mezi partnerské země. Projekt se stal prvním skutečně světovým projektem, ovšem za cenu, že se nejprve musely sjednotit výrobní normy jednotlivých partnerských zemí. K dohodě o novém harmonogramu došlo na zasedání Rady ITER v dubnu 2016. Podle tohoto harmonogramu bude první vodíkové plazma vytvořeno v roce 2025. Přibližně po dalších šesti letech bude zahájen provoz s deuteriovým plazmatem a v roce 2035 začnou cílové experimenty s deuterium-tritiovým (DT) plazmatem. Mezinárodní společenství se vzhledem ke zpoždění výstavby zaměřuje na detailní přípravu experimentů ITER na stávajících fúzních zařízeních a na zvyšování kvalifikace fúzních vědců a inženýrů, aby se minimalizovala provozní rizika a zajistilo se rychlé a bezproblémové zprovoznění reaktoru. Pro koordinaci celosvětového experimentálního úsilí se zvažuje také zřízení mezinárodních vědeckých pracovních skupin.

Reaktor JET umožňuje jako jediné zařízení na světě provést řadu experimentů, simulujících provoz reaktoru ITER, především experimenty s DT plazmatem, testování beryliové první stěny (vnitřní stěny reaktoru přímo vystavené plazmatu), testovaní technologií zpracování tritia nebo dálkově ovládaných robotických zařízení pro údržbu reaktoru. Po řadě průběžně prováděných úprav je JET připraven na experimenty pro optimalizaci provozu reaktoru ITER a také k zaškolování personálu pro najíždění a provoz reaktoru.

Vývoj provozních scénářů reaktoru ITER

Provozní scénáře reaktoru ITER se připravují na základě fúzních experimentů po celém světě, ale nejsou podloženy experimenty s DT plazmatem, kterých se doposud provedlo velmi málo (o DT kampaních jsme psali v článku http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1951-deuteriovo-tritiove-kampane); podobně není zcela zřejmý vliv beryliové první stěny na DT plazma. Chybějící experimenty může provést právě reaktor JET. To by umožnilo přesnější sestavení provozních scénářů pro ITER, které v současnosti vycházejí pouze z experimentů s deuteriovým plazmatem a grafitovou první stěnou.

JET pomůže řešit problémy ITER dříve, než vzniknou

Provedením experimentů na reaktoru JET by se snížila rizika projektu ITER a v dlouhodobém horizontu i čas potřebný k dosažení jeho hlavního cíle, kterým je demonstrace technické proveditelnosti energetického využití jaderné fúze. Pokud by se při experimentech na reaktoru JET objevil nějaký problém, je dostatek času na jeho výzkum a vývoj alternativního scénáře. Pokud bude stejný problém zjištěn až při experimentech na reaktoru ITER, bude nutné do jeho vyřešení pozastavit výzkumný program s dopadem do harmonogramu výzkumu.

Hybridní scénáře

Jako příklad využití reaktoru JET dobře poslouží vývoj tzv. hybridních scénářů, při kterých se v plazmatu generuje elektrický proud společně induktivními a neinduktivními metodami. Přechod od induktivní generace elektrického proudu v plazmatu k neinduktivní je jednou z podmínek využití fúzních reaktorů typu tokamak jako energetických zdrojů, protože induktivní generování elektrického proudu vede k pulznímu režimu reaktoru. V reaktoru JET se v posledních letech ověřují hybridní scénáře využívající nové technologie ohřevu a generování elektrického proudu (Heating and Current Drive, H&CD) a v rámci připravovaných experimentů s DT plazmatem bude testování těchto scénářů pokračovat.

Dalším příkladem může být vývoj injektorů neutrálních svazků (Neutral Beam Injection, NBI). Injektory NBI reaktoru JET byly v uplynulých letech postupně inovovány. Reaktor ITER získané zkušenosti v plné míře využije.

Modernizace reaktoru JET

Aby bylo možné reaktor JET hlouběji využívat pro experimenty relevantní ITER, připravuje se jeho modernizace. Dotkla by se především provedení reaktorové komory, systému ohřevu plazmatu, systému řízení reaktoru a prostředků pro diagnostiku fyzikálních procesů v plazmatu.

Experimenty provedené po instalaci beryliové první stěny, podobné první stěně reaktoru ITER (ITER-Like Wall, ILW), ukázaly velký vliv této stěny na chování plazmatu a nutnost doplnění dalších systémů ohřevu plazmatu. Proto je navrženo zvýšit výkon ohřevu o 10 MW formou instalace nového systému elektronového cyklotronového rezonančního ohřevu (Electron Cyclotron Resonance Heating, ECRH). Návrh předpokládá instalaci dvanácti gyrotronů (elektronek generujících mikrovlny) s výkonem 1 MW ve střední rovině reaktoru.

Další součástí modernizace je zdokonalení divertoru. Divertor čistí a tvaruje plazma a je to nejvíce zatížené zařízení reaktoru. Na jeho terče dopadá horké plazma a jejich funkčnost zpětně limituje parametry celého reaktoru. Proto je vývoj divertoru jednou z priorit celosvětového fúzního výzkumu. Nový divertor reaktoru JET se bude tvarem, geometrií, materiálově i povrchem podobat divertoru ITER. Experimenty týkající se divertoru tak budou pro ITER užitečnější.

Modernizace systému diagnostiky, související s rozšířením systému ohřevu a s novým divertorem, umožní přesnější lokální měření a získávání údajů o klíčových fyzikálních parametrech s vyšší přesností především z hlediska energetických toků v divertoru a v celé reaktorové komoře.

Dosavadní využití reaktoru představuje přibližně 15 % z celkové předpokládané životnosti reaktoru. Životnost reaktoru JET je tak pro jeho další provoz dostačující.

Součinnost s tokamakem JT-60SA

Nový velký japonský tokamak JT-60SA budovaný s evropskou podporou je důležitou součástí celosvětového fúzního programu. Na rozdíl od reaktoru JET bude vybaven supravodivými magnetickými cívkami a zaměří se na výzkum rovnovážných scénářů (steady-state, kdy se proměnné veličiny v čase nemění). Reaktor se tak bude doplňovat s reaktorem JET při přípravě programu reaktoru ITER. Vytvoření prvního plazmatu v reaktoru JT-60SA se plánuje na rok 2019. Výzkumný program bude zahájen v letech 2023–2024. JT-60SA umožní řešit vědecké problémy související s dlouhou dobou trvání výboje a významná část jeho činnosti se zaměří na scénáře neinduktivního vlečení proudu v plazmatu. (Vysvětlení pojmu "vlečení proudu" najdete na konci článku.)

Peníze na modernizaci i výzkum rozhodnou

Reaktor JET díky své velikosti, možnosti experimentů s DT plazmatem a vybavení reaktoru systémem dálkové manipulace představuje mezistupeň k provozu reaktoru ITER. Experimenty provedené na reaktoru JET mohou do značné míry snížit rizika provozu reaktoru ITER a urychlit jeho výzkumný program. Je vhodný také pro vyškolení vědců a inženýrů pro provoz reaktoru ITER.

Při jednání o budoucnosti JET byl zřejmý zájem účastníků o pokračování výzkumu na reaktoru, avšak problémem se ukázalo financování jeho modernizace a dalšího provozu. Společným jmenovatelem obou hledisek je priorita projektu ITER. Ze stejného důvodu by JET neměl být provozován déle než do roku 2023, protože od tohoto roku bude ITER potřebovat všechny zkušené operátory.

Financování provozu reaktoru JET je zajištěno pouze do roku 2019 a poslední experimenty jsou naplánovány na rok 2018. O budoucnosti reaktoru JET po roce 2019 tak rozhodne, zda EU poskytne pro JET další peníze paralelně s financováním projektu ITER. A to není vzhledem k Brexitu a ekonomické situaci Evropy nijak jisté.

Poděkování

Ilustrace a fotografie jsou použity s laskavým svolením JET a ITER. Děkujeme Ministerstvu školství, mládeže a tělovýchovy za finanční podporu projektu LG 14002 „Přímá vědecká účast v programu termojaderného výzkumu Společného evropského toru JET“. Aktivita byla podpořena Strategií Akademie věd AV21 v rámci výzkumného programu „Systémy pro jadernou energetiku“.

Zdroje

[1]              http://www.ccfe.ac.uk/jet.aspx

[2]              http://www.ipp.cas.cz/vedecka_struktura_ufp/tokamak/tokamak_compass/index.html

[3]              F. Romanelli, Fusion Electricity, A roadmap to the realization of fusion energy, EFDA, 2012, dostupné na https://www.euro-fusion.org/downloads/

[4]              T Donne et al, Risk Mitigation for ITER by a Prolonged and Joint International Operation of JET, Journal of Fusion Energy 35 (2016) 85

Karel Červenka, Jan Mlynář, Slavomír Entler, Ústav fyziky plazmatu AV ČR