Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 569

16. června 2014

První supravodivý stelarátor na světě Wendelstein 7-X byl spuštěn 20. května 2014

Termojaderná fúze vsadila na tokamaky. Největší pokusné zařízení evropský JET je tokamak, gigant, který EU a šest států staví v Cadarache, je také tokamak. Dokonce dva tokamaky vlastní Česká republika. Padesátá léta minulého století však na startovní čáru postavila více „soupeřů“. Z celého pelotonu „zůstaly v úniku“ dva. Žlutý trikot zatím suverénně obléká tokamak. A kdo je ten druhý? Stelarátor! Tokamak se narodil v Moskvě, ale stelarátor?

Fotogalerie (10)

Netradiční pohled na budovu IPP Garching v Greifswaldu ukrývající stelarátor Wendelstein 7-X (foto: Thomas Klinger)

Legenda praví, že se tak stalo díky reakci amerického astrofyzika Lymana Spitzera na zprávu z Argentiny. Mimochodem – po tomto vědci je pojmenován vzorec pro vodivost plazmatu a odborníci znají jeho nápad z roku 1946 sledovat hvězdnou oblohu dalekohledem umístěným na kosmickém plavidle, takže je po něm pojmenován i vesmírný dalekohled a planetka. Podle legendy Spitzer v roce 1951 trávil zimní dovolenou v Aspenu. Zde ho zastihla zpráva argentínského prezidenta Juana Perona o tom, že Argentina umí uvolnit jadernou energii pomocí slučování jader. Argentina zvládla termojadernou fúzi!

Zaujetí termojadernou fúzí

Na jedné straně Spitzer zprávě nevěřil, na druhé ho přiměla k úvahám, co udělat pro to, aby někdy v budoucnu byla pravdivá (v každém případě jsem se nesetkal s názorem, že by Spitzer o termojaderné fúzi v pozemské verzi někdy před tím přemýšlel, a zda se vůbec s takovou představou kdy setkal). Pravděpodobně však znal předválečné práce Houtermanse, Betheho a dalších. Jako astrofyzik měl určitě hluboké znalosti o tom, jak se chová plazma v magnetickém poli.

Nezbytné je horké plazma

Před ataky slunečního větru – proudu nabitých částic – chrání Zemi magnetické pole. Spitzer neměl až tak daleko k myšlence využít magnetické pole k udržení horkého plazmatu i v laboratoři. A že bude horké plazma určitě potřeba, k tomu se stačilo podívat nad hlavu na sluneční kotouč – na termojaderný reaktor fungující přes čtyři miliardy let. Termojaderný reaktor plný plazmatu.

Jako na běžecké dráze

Plazma sleduje magnetické siločáry teoreticky do nekonečna, zařízení na Zemi však musí mít konečné rozměry. Co dělají běžci, aby celý jejich souboj viděli diváci na stadionu? Proběhnou rovinku v drahách představujících jejich siločáry, zahnou do zatáčky a pak opět uhání po rovince. Dvě rovinky spojené dvěma zatáčkami, to je závodní dráha. Spitzer si však uvědomil, že v zatáčkách nedokáže vyrobit homogenní magnetické pole. Uvnitř „zatáčky“ je díky nahuštění závitů větší magnetické pole než vně. Nehomogenita magnetického pole přes tzv. toroidální drift nasměruje plazma na stěnu vakuové komory a experiment končí.

Spitzer měl geniální nápad vnutit vakuové komoře tvar čísla osm. V jednom oblouku se plazma pohybovalo ve směru hodinových ručiček, aby se v protilehlém oblouku pohybovalo opačně. Tím se zhoubný toroidální drift kompenzoval. Ale co ten divoký tvar vakuové komory? Tady možná Spitzera inspirovaly oblouky, které kreslil při sjezdu na lyžařském svahu. Oblouk po svahu Spitzera urychlil a oblouk do svahu ho zpomalil. Výsledkem je téměř neměnná rychlost.

Další verze stelarátoru měly tvar závodní dráhy a osmičkový nápad nahradilo několik vnějších vinutí, z nichž alespoň jedno bylo helikální, to znamená, že uvnitř vakuové komory vyrobilo šroubovicové pole stejného tvaru, jako má tokamak.

Od malého stelarátoru k velkému

Zatímco tokamaky v sovětských laboratořích dosahovaly lepších a lepších výsledků, takže na 3. Mezinárodní konferenci O fyzice plazmatu a řízené termojaderné fúzi v Novosibirsku v roce 1968 výsledky přednesené L. Arcimovičem fúzní svět doslova ohromily, stelarátor stále bojoval s velkými ztrátami energie a tím i s nízkými teplotami plazmatu.

V roce 1969 se dokonce největší americký Stellarator C v Princeton Plasma Physics Laboratory – baště stelarátorů – přestavěl na tokamak ST.

Nicméně vždy se najdou lidé, kteří nezahodí flintu do žita v ani těch nejméně nadějných situacích. Patřili mezi ně i vědci Ústavu fyziky plazmatu v Garchingu u Mnichova. Na malém stelarátoru W7-AS se v letech 1988 až 2002 objevily dokonce tak dobré výsledky, že několik odvážlivců podalo návrh na stavbu velkého stelarátoru Wendelstein W7-X.

Inspirace alpskými štíty

Wendelstein je 1883 metrů vysoký štít v Bavorských Alpách. Navíc wendel je německy šroubovice a stein kámen. Projekt, který pojmenoval stavbu stelarátorů v PPPL pod Spitzerovým vedením se jmenoval Matterhorn (Lyman Spitzer byl kromě přemýšlivého lyžaře i nadšeným horolezcem).

Netradiční vlnovitý tvar střechy haly pro největší stelarátor světa W7-X, který Ústav fyziky plazmatu Maxe Plancka v Garchingu u Mnichova postavil na severu Německa v hanzovním městečku Greifswald, jako by předznamenával to, co návštěvník uvidí uvnitř. Podivně zkroucené cívky jediného supravodivého vinutí budou mít na svědomí kompletní střižné magnetické pole, které tradiční stelarátory vytvářely osmičkovým tvarem vakuové komory nebo dvěma sadami cívek. Modulární systém cívek – 20 planárních a 50 „3D“ – byl navržen díky vyspělé výpočetní technice, která v době výstavby stelarátoru v roce 1951 ani zdaleka neexistovala. Systém byl vyzkoušen na stelarátoru W7-AS.

Objem plazmatu 35 m³ u W7-X odpovídá zhruba třetině objemu největšího tokamaku na světě JET 80 m³. Předpokládaná teplota 80 milionů °C ještě termojadernou reakci nezapálí, ale poskytne data pro odhad parametrů stelarátoru s termojaderným ohněm. Pro W7-X se vyvíjí osm až deset gyrotronů (zdrojů vysokofrekvenčního pole), z nichž na frekvenci 140 GHz poskytne každý výkon 1 MW. Dalšími zdroji energie budou svazky rychlých neutrálních částic. Doba pulzu plazmatu se poněkud vymyká číslům obvyklým u výkonných tokamaků – 30 minut! Rekordní doba pulzu vysokoteplotního tokamakového plazmatu patří tokamaku Tore Supra – 6:30 minut.

Stavbu W7-X financuje z 65 % federální Ministerstvo vzdělání, vědy, výzkumu a techniky, země Meklenbursko z 5 %. Evropská unie uhradí 30 % celkových nákladů. Spolu se zpožděním osmi let vzrostly náklady oproti plánované půl miliardě eur dvakrát. Stavět se začalo v roce 1996.

Unikátní zařízení bylo spuštěno v IPP Greisfald 20. května 2014!

O tokamaku a stelarátoru 3pól psal např. v: