Tokamak JET pomáhá tokamaku ITER

Termojadernou fúzi zatím umíme v laboratoři. Z laboratoře k funkční elektrárně se jí snaží pomoci zatím nejúspěšnější pokusná zařízení –tokamaky. Největší z nich, ITER, staví sedm partnerů v Cadarache na jihu Francie: EU, Rusko, Čína, USA, Japonsko, Jižní Korea a Indie. Palivem bude směs deuteria a tritia ve stavu plazmatu. Řada menších tokamaků po celém světě se mezitím snaží ITERu připravit půdu. Jedním z nich je evropský tokamak v anglickém Culhamu – JET. Je držitelem několika rekordů - dokázal vyprodukovat 22 MJ fúzní energie, špičkový výkon 16 MW a podíl celkového fúzního výkonu ku dodávanému tepelnému příkonu 0,65. Dokonce se mu podařilo udržet plazma 4 sekundy při stabilním fúzním výkonu 4 MW. První plazma v ITER se očekává v roce 2025.

Po dokončení bude prvních zhruba deset let tokamak ITER ladit výboje v samotném deuteriu (D). Během této doby se bude řešit francouzská licence pro provoz tokamaku s významnou neutronovou sprškou doprovázející cílovou reakci deuterium - tritium (D-T). Předpovědět, jak se změní chování plazmatu přechodem z D-D reakce na D-T, pomůže blížící se kampaň D-T na JET, která v přípravě používá kromě reakce D-D i více méně nestandardní reakci T-T a získává tak třetí bod v extrapolačním grafu s hmotností vynášenou na vodorovné ose.

JET je upraven, aby byl ITERu co nejpodobnější

S vnitřní stěnou z beryllia a wolframu je evropský tokamak JET¹ jediným tokamakem na světě, který používá stejné materiály na vnitřní stěnu vakuové komory jako ITER. Až v lednu 2021 zahájí novou experimentální kampaň se stejným palivem jako později ITER, bude JET pro ITER hlavním zdrojem experimentálních údajů. Od nového roku začne evropský tokamak JET experimentovat s plazmaty „samotného tritia“ (poprvé v historii výzkumu fúze), než zahájí v květnu kampaň deuterium-tritium, která potrvá do srpna 2021.

Příprava kampaně TT a DT na tokamaku JET

Poté, co se na vnitřní stěně vakuové komory, ve které hoří plazma, vyměnil uhlík za „ITER-like“ materiál, se stabilita plazmatu markantně zlepšila, což umožní stacionární režim trvající až pět sekund. ITER bude mít ve vakuové komoře stěnu z beryllia a divertor pokrytý wolframem. Divertor je toroidální korýtko z 54 desetitunových kazet umístěné v údolí vakuové komory a bude plazma čistit. Stabilní plazma v tokamaku JET umožňuje získat z tokamaku ITER kvalitnější data než dosavadní, z plazmatu nestabilního.

JET je nyní v závěrečné fázi přípravy experimentů s palivy tritium a směsí deuterium-tritium (D-T).

Po technické stránce byly v létě 2020 zprovozněny dva důležité prvky pro ovládání tokamaku JET. Vylepšil se systém ukládání, dodávání a recyklování tritia. V ITER se bude vyrábět tritium bombardováním lithia 6 neutrony, produkty fúzní reakce. V JET nebude lithium 6 ani žádné jiné a všechno tritium se bude do vakuové komory dodávat z vnějšku. Nicméně ne všechno tritium se v reaktoru spálí a určité množství tritia zůstane mezi odpadem. Toto tritium se recykluje a znovu použije jako palivo. Mimořádný výkon podal tým, který dokázal vše dosáhnout v kontextu velmi náročného roku, kdy byla přerušena kampaň v březnu 2020 kvůli COVIDu a následně snížen počtu experimentálních dnů v týdnu.

Proč fúzovat samotné tritium?

Experimenty se samotným tritiem mají šanci odhalit řadu věcí, např.

• jak změna hmotnosti plazmatického paliva² ovlivní turbulentní/chaotické procesy transportu plazmatu v oblasti jeho jádra či okraje;
• podmínky přechodu z režimu se slabým udržením do režimu se silným udržením (přechod z Low mode na High mode);
• mechanismy eroze beryliové stěny
• migrace nečistot z hraniční vrstvy plazmatu do oblasti divertoru.

Čistě tritiová kampaň bude mít obrovský dopad na poznání fyziky tokamakového plazmatu a na chápání základní fyziky vlivu různých izotopů (jader stejného náboje a různé hmotnosti). Samotné tritium v JET je velmi užitečné pro experimenty s tritiem v ITER, dokonce i v jakémkoli fúzním reaktoru, který chce pracovat s deuteriovým-tritiovým (DT) palivem.

Zvládnutí plazmatu ze „samotného tritia“ bude však vyžadovat extrémně vysokou úroveň přípravy na respektování dosud „neznámého“ super těžkého vodíku (tritia) a přísnou kontrolu nových podmínek provozu. Připravované tritiové výboje se vyzkoušely ve vodíku či v deuteriu. Zdá se, že pro tritiovou kampaň nelze udělat v přípravě více.

Pečlivé plánování

Bezpečnost tokamaku JET omezuje z provozního hlediska množství tritia uvnitř vakuové nádoby. Maximální hmotnost, která se uloží na kryopanelech čerpacího systému, může být 11 g. Aby se množství tritia udrželo v rámci stanoveného limitu, musí se všechny kryopanely přes noc denně regenerovat. Jedna regenerace bude trvat přibližně 8 hodin. Kampaň bude probíhat v pětitýdenním cyklu, přičemž po třech týdnech provozu bude následovat týden, kdy se tritium bude předpracovávat a další týden bude věnován inventuře tritia. Vědci z tokamaku JET se budou muset naučit provádět experimenty v těchto nových provozních podmínkách. Jinde prověřené postupy s provozem tritia se trénovaly letos v září. S čistým tritiovým plazmatem, které ohřeje svazek neutrálního tritia, se bude experimentovat od začátku ledna do poloviny května 2021, poté bude následovat cílová deuterium-tritiová kampaň trvající do srpna 2021.

Extrapolace výsledků tokamaku JET na tokamak ITER

Jak se horké plazma bude chovat v tokamaku ITER? Vždyť zdaleka nemá ještě dokončený poslední svár na vakuové komoře, natož aby zapálil první či jakékoli plazma. Na základě současné teorie i předchozích experimentů lze chování odhadnout pomocí počítačových modelů. Modely byly ověřené pomocí celosvětové databáze Tokamaks Physics Activity (ITPA). Modely zahrnují procesy, jako je transport turbulentního plazmatu, podmínky stability plazmatu, ohřev a buzení elektrického proudu a chování rychlých, horkých částic a jak to vše dohromady ovlivňuje celkový výkon plazmatu.

Použily se nejlepší modelovací nástroje vyvinuté a ověřené na tokamaku JET během více než 20 let. Nestačí jen studovat izolovaný proces; je třeba vědět, jak se procesy navzájem ovlivňují, aby bylo možné v předpovědích zachytit jakékoli nelineární chování!

Ve skutečnosti jsou znalosti fyziky plazmatu D-T stále omezené a ITER bude nezbytný pro další pokrok v pochopení vysokoteplotního plazmatu. Například jak se projeví přechod hmotnosti paliva deuterium-deuterium na větší hmotnost směsi deuteria a tritia, resp. na ještě větší hmotnost samotného tritium-tritiového paliva, nebo co ukážou procesy související s účinky ohřevu plazmatu alfa částicemi – produktu fúzní reakce D-T.

Dodejme také, že nadcházející kampaň poskytuje jedinečnou příležitost vzdělávat novou generaci mladých vědců a inženýrů, kteří se pak mohou v budoucnu zapojit do provozu ITER. Evropský experimentální tým zapojený do kampaně JET DT zahrnuje více než 300 vědců, z nichž 25 procent pochází z nové generace (PhD, post-doc nebo mladí inženýři), kteří budou mít také příležitost účastnit se provozu ITER DT v budoucnosti - jedinečná příležitost pro vás mladé!

Kariéra i pocit štěstí

Kupříkladu Xavier Litaudon byl jmenován vedoucím fyziky ITER v EUROfusion v roce 2014. Jako mladý vědec se účastnil na JET první kampaně deuterium-tritium v roce 1997. Litaudon tvrdí, že to, co vidí v nedávném vývoji výzkumu fúze na celém světě, je „kolektivní výsledek převyšující jednotlivé příspěvky“, něco, co mu poskytuje „skvělý pocit štěstí“. „Od začátku mé kariéry ve fúzi před více než 30 lety se mi nejvíce líbilo, že výzkum fúze je kolektivní a mezinárodní snaha. Dává mi uklidňující pocit, že můžeme dosáhnout významného pokroku, když spojíme naše úsilí v dosažení společného cíle, kterého nelze v žádném případě dosáhnout jednotlivě. Současný pokrok je výsledkem toho, že každý účastník denně a pravidelně přispívá malým dílem, přičemž kolektivní výsledek předčí jednotlivé příspěvky k dosažení významných úspěchů.“

¹ JET se sídlem v Culhamově centru pro energii z jaderné syntézy je kolektivně využíván pod vedením EUROfusion více než čtyřiceti evropskými laboratořemi. Do programu JET přispívá přibližně 300 až 350 vědců a inženýrů z celé Evropy.

² Jelikož jádro tritia obsahuje jeden proton a dva neutrony, je tritiové plazma těžší než čisté deuterium nebo plazma deuterium-tritium.

Zdroj: Volně podle rozhovoru EUROfusion s Xavierem Litaudonem, vedoucím fyziky ITER v EUROfusion.