Průkopnický tokamak TFTR

Americká jaderná společnost (ANS, The American Nuclear Society), přední americká organizace na podporu jaderné vědy, propůjčila čestný titul „Historický mezník ve výzkumu jádra“ (Nuclear Historic Landmark) průkopnickému Tokamak Fusion Test Reactor, který fungoval v letech 1982 až 1997 v laboratoři Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) Amerického ministerstva energetiky (DOE). (Dnes už je TFTR rozmontován, tj. odvezen do sběrných surovin.) Průkopnické zařízení položilo základ budoucím fúzním reaktorům a v roce 1994 vytvořilo světový rekord v generaci fúzního výkonu (10,7 milionů wattů). V letech 1993 až 1997 to byl ještě další rekord - v celkové uvolněné energii z fúze (1 500 milionů joulů). Úspěchy znamenaly významný krok k uskutečnění fúze na Zemi – uvolnění energie, která pohání slunce a hvězdy - jako bezpečného, čistého a bohatého zdroje energie pro výrobu elektřiny. (O tři roky později rekordy TFTR překonal evropský tokamak JET výkonem 16,5 MW a uvolněnou energií 22 MJ.)

ANS, oficiálně oznámí udělení tokamaku TFTR titul Historický mezník ve výzkumu jádra na svém virtuálním zimním setkání, které začne 16. listopadu 2020. Text na pamětní desce ocení tokamak TFTR „Za výrobu významného množství energie z fúze a za důležitý krok v technologii výroby tritia pro fúzní elektrárny a za podrobný výzkum magnetické fúze plazmatu deuterium-tritium.“

Prvního vysokého vyznamenání se laboratoři PPPL dostalo v roce 2018, kdy Americká společnost strojních inženýrů pojmenovala laboratoř "Mezníkem historického strojírenství za úspěchy při výzkumu řízené magnetické fúze".

Rekordy TFTR

Zařízení TFTR pod vedením Richarda Hawryluka, zástupce ředitele pro fúzi v PPPL, bylo vedle evropského tokamaku JET průkopníkem ve studiu směsi izotopů vodíku deuteria a tritia (DT), které mají za dnes dosažitelných podmínek největší fúzní reaktivitu. Pokusy zahájené v prosinci 1993 jako první využívaly palivovou směs 50-50 DT kterou zřejmě budou využívat první  fúzní elektrárny (JET zahájil DT kampaň v již roce 1991 ovšem směsí 90-10). Nejsilnější (40 MW) plazmový ohřevový systém svazku neutrálních částic (NBI, Neutral Beam Injection) na světě umožnil dosáhnout teplotu fúzního paliva až 500 milionů stupňů Celsia, která dodnes nebyla překonána (ITER bude provozovat dva ohřevové svazky NBI po 16,5 MW  a další dodatečný ohřev pomocí mikrovlnné rezonance).

Celosvětová spolupráce

Na úspěších TFTR se podíleli fyzici, inženýři a zaměstnanci celé laboratoře PPPL s vědci a inženýry z celého světa. "Jednalo se o vědecký a technický počin PPPL, který představoval účast národních a mezinárodních spolupracovníků, majících podíl na všech aspektech experimentu, a především Amerického ministerstva energetiky (DOE), které tyto experimenty platilo," zdůraznil pro ANS Richard Hawryluk, tehdejší vedoucí TFTR a bývalý ředitel laboratoře, nyní zástupce ředitele pro fúzi v PPPL. „Pro ty z nás, kteří se tehdy účastnili experimentů deuteria s tritiem,“ vzpomínal Hawryluk, „to byla příležitost, která se vyskytne jednou za život, setkání s dosud nevyzkoušeným uvolněním významného množství fúzní energie a  vzrušení z posunu hranice výzkumu fúze blíže k podmínkám zapálení termojaderné fúze v plazmatu.“

Steve Cowley, současný ředitel PPPL, který byl tehdy řadovým výzkumným pracovníkem v laboratoři,  zdůraznil kritickou roli  tehdejších okamžiků, kdy se TFTR mobilizoval pro experimenty DT, jejichž výsledky i dnes při vývoji fúze hrají významnou úlohu. "Tato práce ověřila produkci fúzní energie v tokamacích pracujících s vysoce výkonným palivem," řekl Cowley, "a potvrdila místo PPPL mezi předními laboratořemi na světě ve výzkumu fúze."

Jak šel čas

"PPPL zahájila projektování TFTR v roce 1973", uvedl Dale Meade, bývalý šéf TFTR a bývalý zástupce ředitele laboratoře, „s cílem demonstrovat uvolnění jaderné energie řízenou fúzí deuteria a tritia reakcí v magneticky udržovaném plazmatu.“ Zařízení zahájilo provoz v roce 1982 a tehdy fungovalo pouze s deuteriem, zatímco se současně vyvíjely všechny aspekty tokamaku požadované pro kampaň využívající vedle deuteria i tritium - ta začala o deset let později. (Podobně bude trvat tokamaku ITER než přejde ze samotného deuteria v roce 2025 na směs s tritiem v roce 2035. Jednak se budou ladit potřebné komponenty a jednak se bude připravovat francouzská licence pro DT reakci). Velkou výzvou byla práce s tritiem, radioaktivním izotopem s poločasem rozpadu 12 let, který PPPL úspěšně zpracovával a bezpečně s ním nakládal po celou dobu kampaně.

Tritium – klíčový milník

Klíčovým milníkem bylo první fungování tritiového palivového systému s uzavřeným cyklem, který zásoboval plazma tritiem, izoloval nezreagované tritium a připravoval jej pro opětovné vstřikování do pracujícího tokamaku. Takový cyklus umožňoval v zařízení TFTR opakované použití tritia a významně snížil potřebu doplňování tritiového paliva ze zdrojů mimo lokalitu laboratoře, snížil množství zpracovávaného radioaktivního odpadu na místě a ukládání odpadového tritia mimo lokalitu.

Mezi mnoha úspěchy experimentů TFTR byla také první komplexní studie chování vysokoenergetických alfa částic produkovaných fúzní reakcí DT, které jsou rozhodující pro udržení reakcí ve fúzní elektrárně bez dodávky vnějšího výkonu. Nakládání s těmito částicemi bude vyžadovat i ITER a to pro medium, které se nazývá v tomto případě „hořící plazma“. Teplotu plazmatu si částečně zajišťuje samotné plazma produkty fúzních reakcí –  alfa částicemi. Hořící plazma se bude studovat v tokamaku ITER a v budoucí pilotní fúzní elektrárně DEMO.

Titul od Americké jaderné společností ANS Historický mezník ve výzkumu jádra se tak ohlíží jak dozadu na průlomové úspěchy TFTR, tak se dívá dopředu na jejich dopad na budoucí vývoj uvolňování fúzní energie. Během své 15leté činnosti poskytl tokamak TFTR klíčové technické podrobnosti pro návrh a provoz budoucích zařízení a elektráren používajících k fúzi směs deuterium-tritium.

Ocenění od ANS

ANS začala udělovat podobná významná ocenění v roce 1985, aby tak identifikovala a připomněla veřejné a soukromé jaderné společnosti, které byly uvedeny do provozu před 20 nebo více lety a které dosáhly vynikajících fyzikálních úspěchů napomáhajících pokroku a mírovému využití jaderné technologie respektive jaderné energie. Mezi předchozí oceněné patří Chicago Pile 1, první nepřetržitá řetězová jaderná reakce, kterou předvedl Enrico Fermi v roce 1942, dále byla oceněna demonstrační štěpná atomová v elektrárna v USA, která začala fungovat v roce 1957.

Podle Johna Greenwalda

Další informace najdete na adrese energy.gov/science