PlasmaLab@CTU nás přiblíží k provozu první fúzní elektrárny

Jedním z řešení hrozící energetické krize může být termojaderná fúze. Na jihu Francie již několik let vědci a konstruktéři budují první termojaderný reaktor na světě. Mezi zapojenými subjekty je mimo jiné Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze (FJFI), která provozuje momentálně jediný funkční tokamak (fúzní reaktor) Golem v Česku (tokamak Compass v Ústavu fyziky plazmatu je v rekonstrukci). Nyní pro studenty i vědce vedle reaktoru vybudovala fakulta za více než 23 milionů korun moderní laboratoř pro pokusy (nejen) s plazmatem, PlasmaLab@CTU. Slavnostní otevření proběhlo na fakultě 17. února 2022.

Když FJFI před 15 lety přebírala od ÚFP AV ČR do své péče tokamak GOLEM, měl jen málokdo tušení, kam až se tato vědecká aktivita rozvine. Kromě vlastního zprovoznění nejstaršího fúzního zařízení na světě a jeho otevření studentům se zde podařilo vybudovat mezinárodní centrum pro výzkum termojaderné fúze, kam proudí stovky studentů z celého světa, exkurzí a mimo jiných sem zavítal i Bernard Bigot, ředitel mezinárodního projektu ITER. Díky jedinečnému systému pro řízení na dálku pomocí internetu třeba i z mobilního telefonu si výstřel na tokamaku vyzkoušel kromě desítek studentů z celého světa i monacký kníže Albert II. Tento řídicí systém nyní uvažují převzít i konstruktéři ITER pro jeho další ovládání. (O možnosti vzdáleného experimentování na tokamaku jsme psali zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1933-terabyty-na-cestach-aneb-golem-uz-umi-co-iter-teprve-zkousi). 

Unikátní laboratoř pro domácí i zahraniční studenty 

Kapacity tokamaku GOLEM však již nedostačují požadavkům na vzdělávání studentů. Proto skupina působící na FJFI kolem doc. Jana Mlynáře vytvořila před časem projekt PlasmaLabu, který doplňuje experimentální vybavení sloužící výzkumu termojaderné fúze. Díky podpoře ve výši 23 milionů korun z evropských investičních a strukturálních fondů mohla vzniknout Laboratoř horkého plazmatu a fúzní techniky, zkráceně PlasmaLab@CTU. 

Na studenty zde čeká soustava vakuových komor, možnost práce s pěti různými plyny, lineární magnetická past, rezonanční dutina či mikrovlnná interferometrie, laser a řada špičkových přístrojů pro optická měření. „PlasmaLab@CTU nabídne studentům možnost získat zkušenosti v oblasti měření a diagnostiky plazmatu, jednoho z klíčových oborů ve vývoji termojaderné elektrárny,“ vysvětluje Dr. Jana Brotánková z katedry fyziky a pokračuje: „Abychom udrželi hořící palivo v reaktoru, musíme vědět, jak se chová. Do prostředí s teplotou několika set miliónů stupňů Celsia nelze vložit obyčejný teploměr, to už vyžaduje sofistikované měřicí metody. Studenti zde budou pracovat například s elektrostatickými sondami a magnetickými senzory.“ Elektrostatické sondy měří výbojové plazma ve vakuovém recipientu. Aparatura slouží i jako „test bed“, neboli kolébka pro případné inovativní designy navržené samotnými studenty. Je pro ně připravena také úloha pro vybroušení zručnosti v práci s magnetickými senzory; je to důležitý krok pro práci se zpětnou vazbou pro stabilizaci plazmatu, jeden z nejzákladnějších požadavků pro vlastní termojadernou elektrárnu, ale také jeden z nejobtížněji dosažitelných. 

Výzkum materiálů tokamakové nádoby 

Perlou PlasmaLabu@CTU je 3D mikroskop, nejvyšší třída optické mikroskopie, který se dostane až na samou hranici viditelného světla - tj. zviditelní struktury o velikosti srovnatelné s vlnovou délkou světla. Mikroskop je zde zejména pro materiálový výzkum jednoho z nejzávažnějších témat fúze: sledování následků interakce plazmatu s povrchem nádoby. Toto zařízení umožňuje řešit jeden z hlavních požadavků na funkčnost termojaderné elektrárny, a to zachování co nejdelší životnosti reaktorové nádoby. 

„PlasmaLab@CTU budou využívat především studenti FJFI v novém doktorském programu Fyzika vysokoteplotního plazmatu a termojaderné fúze, který jsme založili společně s belgickou Univerzitou v Gentu, ale je otevřen i pro naše pregraduální studenty, včetně studentů společného evropského magisterského programu FUSION-EP, nebo pro mezioborové bádání například v oblasti optiky či materiálového inženýrství. Kromě toho budeme rádi, když o PlasmaLab@CTU, jehož součástí je i stávající tokamak GOLEM vedený Dr. Vojtěchem Svobodou, budou i nadále mít zájem studenti jiných univerzit v ČR či v zahraničí. Věřím, že všichni tuto investici ocení podobně, jako oceňují tokamak GOLEM,“ doplňuje doc. Jan Mlynář. 

Představme si podrobněji hlavní experimentální stanoviště PlasmaLabu

Lineární magnetická past 

Jedná se o hlavní nejsofistikovanější a nejflexibilnější experimentální jednotku PlasmaLabu pro studii mikrovlnného vlnění. Lineární magnetická past je dlouhá vakuová nádoba obkroužená magnetickými cívkami, které uvnitř vytvářejí podélné magnetické pole, v našem případě až 100 mT. Plazma se generuje pomocí žhavené katody ve spodní části přístroje a je udržováno magnetickým polem. V bočních přírubách jsou diagnostiky, zejména antény pro buzení a měření mikrovln. Studuje se zde šíření mikrovln podél a napříč magnetickým polem, jejich polarizace, stanovování disperzní relace a dielektrický tenzor plazmatu. Úloha se ovládá přes počítač, lze tedy měřit i vzdáleně, přes internet.

 Magnetické pole    

Zařízení nabízí možnost pokročilého studia generování a měření magnetických i elektrických polí, včetně nízko- a vysokofrekvenčních elektromagnetických polí, a umožňuje kalibrační měření magnetických sond (Mirnovových cívek a Hallových detektorů). Slouží pro nácvik měření polohy plazmatu v tokamaku magnetickými cívkami. Plazma je simulované proudem ve vodiči, u kterého si lze zvolit průběh (velikost, strmost růstu a poklesu). Kolem vodiče je 8 magnetických cívek, které měří surový a integrovaný signál (tedy změnu magnetického pole a magnetické pole kolem vodiče). Kromě toho je k dispozici několik výměnných cívek s různými parametry, stíněný drát a "klec" simulující nehomogenní rozdělení proudu v plazmatu. Základní úlohu lze kompletně provést vzdáleně, přes internet.

Langmuirovy sondy 

Elektrostatické sondy patří mezi základní diagnostiku plazmatu. Ve vakuové nádobě se generuje doutnavý výboj. Stend má jednoduchou Langmuirovu sondu ve spodním manipulátoru, která měří základní charakteristiky plazmatu, jako je elektronová teplota a hustota. Horní manipulátor je určen pro složitější sondy, počínaje dvojitou a trojitou Langmuirovou, emisní,  tunelovou, ball-pen, Katsumata a tzv. bunkrové sondy, hřebínkové sondy, případně i RFA apod., i pro testování sond navržených samotnými studenty. Úloha se ovládá přes počítač, lze tedy také měřit i vzdáleně.

Na slavnostním otevření PlasmaLab@CTU se na FJFI sešly přední osobnosti v oblasti fúze, mladí vědci a studenti tohoto oboru z Česka i zahraničí. Kromě samotné prohlídky prostor PlasmaLab@CTU a fakultního tokamaku Golem byly pro všechny návštěvníky připraveny krátké přednášky o minulosti i o budoucnosti termojaderné fúze v ČR i ve světě. Výstavu odborných i populárních publikací o jaderné fúzi a osobnostech, které se o ni zasloužily, připravil Ing. Milan Řípa.

Jan Kadeřábek