Právě dnes zveřejnil tokamak JET výsledek nejnovějšího fúzního experimentu

Vyhlídka na využití síly hvězd se posunula o krok blíže realitě poté, co vědci vytvořili nový rekord v množství energie uvolněné při trvalé fúzní reakci. Vloni proběhla druhá deuterium-tritiová kampaň na největším tokamaku Joint European Torus v Culhamu u Oxfordu. Během pětisekundového zážehu fúze se uvolnilo 59 megajoulů tepla – to odpovídá asi 14 kg TNT, což je více než dvojnásobek předchozího rekordu 21,7 megajoulů z roku 1997 stejným zařízením. (O JET jsme naposledy psali před dvěma dny zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2801-jet-slavi-100-000-vystrel) Nyní jsme zvědaví, jaký bude špičkový uvolněný fúzní výkon. V roce 1997 byl 16,5 MW, což představovalo zisk Q = 0,65.

DTE2 – neboli Experiment s deuteriem a tritiem číslo dvě.

Druhá DT kampaň (napuštění tritia do deuteria umožnilo zažehnou fúzi těchto izotopů vodíku) na tokamaku JET probíhala v druhé polovině minulého roku. První byla v roce 1997. Novinové zprávy se omezily na jediný výsledek - bylo dosaženo rekordních 59 MJ uvolněné fúzní energie – dvakrát více než při DTE1. Jinými slovy z článků týkajících se DTE2 se zdálo, že úctyhodná energie, byla jediným cílem DTE2. To ale není pravda. Nicméně se nelze divit, že diskuze se nesla v duchu údivu nad „dvacetiletým skokem“ z 22 na 59 MJ! Každý druhý diskutující vzal kalkulačku a počítal, kolik vody ohřeje oněch 59 MJ. Suma sumárům, zprávy našich médií potvrdily názor většiny laiků, že termojaderná fúze je zajímává, ale výsledky zanedbatelné či spíše žádné.

Přiznám se, že i já jsem čekal na ohlášení dalších rekordů - maximálního výkonu resp. překročení hranice breakevenu. Ovšem pro fúzní komunitu je nyní prioritou úspěch budoucího tokamaku ITER. A kdo jiný by měl se podílet na přípravě spuštění prvního výkonově ziskového tokamaku, než JET, jediný tokamak na světě, který může fungovat s tritiem, přesněji se směsí deuteria a tritia. 

Cílem DTE2 nebyly další rekordy

Cílem bylo ujištění, že ITER nečekají nepříjemná překvapení. Naopak, radostným zjištěním bylo, že počítačové modely použité při práci s tokamakem JET fungují a je velká pravděpodobnost, že je bude možné použít pro větší tokamaky, tedy i pro ITER a ještě větší stroje.

Hodně času věnovali v Culhamské DTE2 vlivu hmotnosti paliva na chování plazmatu. Pracovalo se se všemi izotopy vodíku: normálním vodíkem H, těžkým vodíkem – deuteriem D a supertěžkým vodíkem – tritiem T. Zkoumal se vliv hmotnosti paliva na toky částic a energie, na ohřev plazmatu alfa částicemi (jádry helia), na vzájemné působení plazmatu a stěn vakuové nádoby.

Klíčové výsledky druhého deuterio-tritiového experimentu lze shrnout následovně:

1. Popsání vlivu hmotnosti paliva na vlastnosti plazmatu
2. Ověření vnové metody ohřevu v DT směsi použitelné pro ITER
3. Potvrzení ohřevu alfa částicemi
4. Vysoká produkce energie v „ITER like wall" (berylium, wolfram)
5. Rekord uvolněné fúzní energie během 5 sekund - 59 MJ

Vidíte, že rekordní uvolněná energie je uvedena až jako pátý, poslední bod. Stručně k jednotlivým bodům.

1. Vliv hmotnosti paliva na plazma
   • Vliv hmotnosti paliva na udržení energie

Zlepšuje účinek udržení energie (H-modu) nad výkonovou hranicí. (Výkonový limit H-mode (threshold) záleží na hmotnosti paliva.) Ukazuje se, že vztahy platné dříve platí i s novou vnitřní stěnou (ITER like wall) tokamaku JET – což je dobré pro ITER. 

• Vliv hmotnosti paliva na tok tepla a částic

DTE1 ukázal vliv hmotnosti paliva na tok tepla a částic, DTE2 prokázal totéž pro různé hmotnosti paliva napříč celým průřezem plazmatického provazce včetně jeho okrajů. Proběhly i pokusy se samotným tritiem. 

• Vliv hmotnosti paliva na interakci plazmatu se stěnou

Důležité je zkoumání eroze vnitřní stěny DT plazmatem. Nadbytek wolframu špiní plazma a ochlazuje ho. Zvýšení množství těžších iontů tritia zvyšuje erozi, ale v přijatelných mezích. 

2. Nová metoda ohřevu

JET ověřil jedinečnou techniku, která závisí na přítomnosti tří typů iontů v plazmatu. Po prvé předvedl novou metodu ohřevu v palivu DT a ověřil použití materiálu stěn při ohřevu plazmatu. 

3. Alfa částice v plazmatu

Rychlé alfa částice plazma ohřívají. Setrvale vysoký DT fúzní výkon umožnil studovat vliv alfa částic za nových podmínek.

    4. výsledky DTE2 potvrzují předpovědi modelů

DT fúzní výkon potrvrzuje předpovědi. Velké množství nových fúzních dat získaných na JET je velmi důležité pro předpovědi chování plazmatu ITERu a dalších tokamaků.  

• 59 MJ za 5 sekund

Poprvé v „ITER like wall“ (beryllium a wolfram) byl uskutečněn režim vysokého udržení. 

JET připravuje novou generace vědců a inženýrů pro transfer jejich znalostí a šikovností/zručností pro ITER. Ví se více o hořícím plazmatu (hořící = významný podíl částic alfa na ohřevu plazmatu). Ověřily se modely extrapolací pro budoucí stroje.

Obrázky z on-line tiskové konference 9. 2. 2022:

Od JETu k elektrárně (zdroj UKAEA)

Vývoj:

Celkový výkon potřebný k činnosti tokamaku

Výkon ohřevu plazmatu

Fúzní výkon neutronů (potenciálně přeměnitelný například na elektřinu)

JET ddosáhl rekordní fúzní energie (zdroj UKAEA)

Vysoký fúzní výkon trval po 5 sekund. První udržení DT plazmatu ve vakuové komoře se stěnou pokrytou berylliem (hlavní část komory) a wolframem (divertorová část komory).

JET utvořil nový světový rekord: Během 5 sekund uvolnil 59 MJ fúzní energie (zdroj UKAEA)

Dnes oznámený čin navazuje na více než dvě desetiletí testů a vylepšení v Culhamském centru pro energii z jaderné syntézy. Představuje „hlavní milník“ na cestě k tomu, aby se fúze stala životaschopným a udržitelným nízkouhlíkovým zdrojem energie. „Tento výsledek nás posunul o obrovský krok blíže k překonání jedné z největších vědeckých a inženýrských výzev ze všech,“ řekl profesor Ian Chapman, výkonný ředitel britského úřadu pro atomovou energii (UKAEA).

JET ve své vakuové komoře obsahuje plazma nebo vysoce ionizované plyny zahřáté na 150 miliónů stupňů Celsia, což je 10krát větší teplota než ve středu Slunce. Při takto extrémních teplotách se atomová jádra deuteria a tritia mohou sloučit a uvolnit obrovské množství energie. Stejné fúzní reakce pohánějí Slunce a hvězdy, ale při podstatně nižších teplotách, protože hvězdy si pomáhají gravitací.

Experimenty na JET se zaměřily na to, zda je fúze proveditelná s palivem založeným na dvou izotopech vodíku známých jako deuterium a tritium, které se spojují za vzniku plynného hélia. Nejnovější výsledky poskytují důležité potvrzení pro ITER, největší fúzní projekt, který se staví na jihu Francie. Je naplánováno, že začne spalovat deuterium-tritiové palivo v roce 2035 a nakonec bude generovat více tepla, než je potřeba k udržení jeho plazmatu na vysoké teplotě. Vyhlídka na energii z jaderné fúze je velmi atraktivní, 1 kg paliva pro jadernou syntézu obsahuje asi 10 milionkrát více energie než 1 kg uhlí, ropy nebo plynu.