Zamotaná cesta k nové energii

9.12.2015

JADERNÁ FÚZE - Za našimi hranicemi se spouští zařízení, které chce naznačit novou cestu k ovládnutí zdroje energie, jež pohání hvězdy.

spe2015_4_s1_stellarator2.jpgPokud jste už něco slyšeli o jaderné fúzi, nejspíše jste také slyšeli o tokamacích. Zařízení ve tvaru děravé americké koblihy („donutu“) se už dlouhá desetiletí považuje za nejslibnější cestu k napodobení energetických procesů na Slunci v pozemských podmínkách – a tím téměř nekonečně bohatému zdroji energie. Tokamaky mají původ v Sovětském svazu a stále jsou nejpoužívanějším nástrojem pro jaderné fúze. Ale mají také své problémy. Naděje na rychlé zvládnutí „energie Slunce“, které se periodicky vracejí na výsluní už od 50. let 20. století, se právě kvůli tomu znovu a znovu odebírají do limbu mezi říší čisté sci-fi a realitou. Stále se tak hledají nové cesty, či se znovu otevírají ty starší, které fyzikům a inženýrům uzavřely dříve nepřekonatelné technické problémy. Návrat do minulosti probíhá v německém Greifswaldu na severovýchodě země. Přístroj nazvaný Wendelstein 7-X by mohl být znovuzrozením třídy zařízení s hvězdným jménem stellarátor.

Je to zamotané...

Z latinského výrazu pro hvězdu odvozený název vybrali pro stellarátor v 50. letech na půdě amerického Princetonu. Zařízení se používalo hlavně v západních laboratořích, než se postupně vydal na svou vítěznou pouť z východu tokamak.

Obě zařízení k udržení plazmatu pracují na principu magnetického pole. Slučování jader totiž probíhá pouze za velmi vysokých teplot a tlaků. Na Zemi nemáme možnost, jak dosáhnout podobných tlaků, jaké panují v nitru Slunce, a tak musíme o to více zvýšit teplotu – až na zhruba 100 milionů Kelvinů. Při této teplotě se z atomů odtrhují elektrony a zbývající ionty mají (čas od času) dost energie na to, aby překonaly vzájemné odpudivé síly a spojily se. Přitom se uvolňuje značné množství energie, jak ukazuje příklad Slunce.

Podobně horkou látku ale žádný materiál neudrží, a tak tokamaky i stellarátory využívají „silového pole“, konkrétně magnetického. Rozdíl je „jen“ v tom, že tokamaky si ještě pomáhají proudem protékajícím samotným plazmatem (vytváří se indukcí, takže zařízení je i transformátorem), zatímco stellarátory spoléhají pouze na magnetické pole vytvářené cívkami kolem komory s plazmatem. V obou případech má komora tvar nekonečné smyčky.

Jaderná fúze by mohla pokrývat veškeré energetické potřeby lidstva po celé tisíce let.

Koncept tokamaku může znít zbytečně složitě – proč vůbec indukovat proud v plazmatu, když se lze obejít bez toho? Ale vnější obvod komory je vždy delší než vnitřní – a tím pádem i vinutí na komoře, které vytváří magnetické pole, není rozdělené rovnoměrně. Magnetické pole je tedy silnější na vnitřní straně komory, a slabší na vzdálenější, a částice plazmatu tak mají tendenci vylétávat ze středu komory a narážet do stěn. Indukovaný proud jejich udržení velmi výrazně zjednodušuje, protože přidává do rovnice další magnetické pole. Dohromady tak vzniká pole žádoucího tvaru.

Jak to tak bývá, řešení přináší i své vlastní problémy. Indukce plazmatu probíhá jen v pulzech, což komplikuje delší udržení. Plazma je také nepředvídatelné a hodně chaotické prostředí. Dochází tu často k přetržení proudu, tím ke ztrátě schopností udržení a v důsledku tohoto kolapsu někdy i k poškození zařízení.

Stellarátory tyto nevýhody nemají, a tak se jim několik výzkumných týmů věnovalo i v době jinak téměř absolutní nadvlády tokamaků. Pravdou ovšem bylo, že v praxi měly vždy stellarátory v poměru s tokamaky horší výkony. Dokázaly udržet plazma kratší dobu a s menší energií. Wendelstein 7-X chce ukázat, že Mooreův zákon tento rozdíl smazal.

Musím to vypočítat

U zrodu Wendelsteinu 7-X stáli dva fyzikové, Jürgen Nührenberg a Allen Boozer, kteří věřili na výpočetní sílu. Jejich cílem bylo navrhnout od počátku magnetickou smyčku, jež překoná omezení běžné toroidální (tedy tvaru „donutu“) komory a dá částicím ideální dráhu, po které by běhaly samy bez pomoci dalšího magnetického pole. To znamená, že zařízení by mohlo běžet velmi dlouhou dobu (v ideálním případě prakticky nepřetržitě) v podstatě bez zásahu zvenčí. Což je nutná vlastnost jakékoliv prakticky použitelné elektrárny.

Jednoduchý kruhový průřez v tu chvíli nestačí, to už bylo dávno jasné i fyzikům v 50. či 60. letech. Ti ovšem nemohli vědět, jaký tvar je správný, protože matematické řešení takové otázky bylo příliš složité, či spíše časově náročné. Provést nutné simulace bylo nad možnosti výpočetní techniky až do 80. let 20. století, jak si uvědomili Nührenberg a Boozer.

spe2015_4_s2_stellaratorvnitrek.jpgPotíž byla v tom, že podle simulací není stellarátor vůbec jednoduché zařízení. Komora i magnety kolem ní musí mít komplikovaný tvar a proměnlivý průřez. Z konstrukčního hlediska jde téměř o noční můru s velikými nároky na přesnost a prakticky nulovou možností pozdějších úprav.

Na druhou stranu, dva menší demonstrační projekty v USA (HSX) a Německu (W7-AS) ukázaly, že na nápadu něco je. Oba si v počítači vedly stejně dobře jako v simulacích a jednoznačně překonaly všechny jiné stellarátory své třídy. A co bylo důležitější, dohonily či předhonily i podobně velké tokamaky.

V obou zemích se tedy začalo uvažovat o větších projektech stejné třídy. Americký stellarátor dostal název NCSX (National Compact Stellarator Experiment) a s jeho konstrukcí se začalo v roce 2004. Ale ohromná technická náročnost projektu a další okolnosti vedly k celé řadě problémů. „Jednoduše jsme hodně podcenili náklady i nutný čas,“ shrnul prostě problémy projektu pro časopis Science jeho vedoucí George Nielson. Obojí – tedy zdržení projektu i nárůst nákladů – nakonec v roce 2008 vedlo americké ministerstvo energetiky k zastavení celého projektu. V té chvíli bylo vyrobeno 80 procent nutných dílů, ale jeho zkompletování bylo v nedohlednu.

Německá vytrvalost

Projekt W7-X byl v době zrušení svého amerického protějšku už 14 let starý. Vládní podpory se mu dostalo už v roce 1994, byť s tou podmínkou, že bude stát v některé z východních zemí sjednoceného Německa. Na projektu pracovalo až 400 lidí, cena byla určena po přepočtu na 550 milionů euro a start byl naplánovaný na rok 2006.

Ale i německý projekt narazil na potíže, které zastavily americký projekt – jde o zařízení na hraně dnešních technických a výrobních možností. Zařízení o hmotnosti kolem 425 tun se chladí tekutým héliem, musí být tedy naprosto těsné. Kvůli pevně danému tvaru je zároveň přístup velmi omezený a všechno musí sedět už napoprvé – původní 3D model musel být naprosto dokonalý.

Z konstrukčního hlediska je stellarátor noční můrou s ohromnými nároky na přesnost. Navíc zařízení nelze po zkompletování prakticky nijak upravovat

Jak se dalo čekat, to se zcela nedařilo. Například třetina původně dodaných magnetů nesplňovala zadané parametry a musely se dodavatelům vrátit (jedna z těchto firem navíc zkrachovala). Také se ukázalo, že původní pevnostní výpočet byl špatný, a kdyby podle něj bylo zařízení postaveno, tak by se v provozu rozpadlo, takže některé klíčové komponenty se musely navrhovat znovu. Projekt měl doslova na kahánku. Získal si ovšem velkou podporu mezi úředníky německého ministerstva školství, kteří přesvědčili politiky o jeho smysluplnosti. Projekt nakonec dostal peníze navíc, s podmínkou, že rozpočet nesmí překročit 1,06 miliardy euro a první plazma v něm musí začít obíhat v roce 2015.

Stavba si vyžádala nakonec zhruba 1,1 milionu hodin a byla hotova v květnu 2014. Od té doby na zařízení běží „suché“ testy, které údajně potvrdily, že magnetická pole přesně splňují parametry předpovězené simulacemi. První částice by se do komory měly dostat během listopadu, ale do uzávěrky vydání nebyly oznámeny žádné podrobnosti.

Odborníci na jadernou fúzi i její fanoušci na ně ovšem čekají s velkou netrpělivosti a očekáváním. Pokud totiž Wendelstein 7-X překoná dnešní tokamaky své třídy, bude to znamenat nejen úspěch „šíleného“ projektu, ale také se tím otevře celá řada nepříjemných otázek kolem výzkumu jaderné fúze jako takového. Třeba to, zda velmi výrazně zpožděný a stále dražší projekt rekordního tokamaku ITER za zhruba 15 miliard euro není vlastně slepou uličkou. Je sice pravdou – a případ stellarátoru to dokazuje – že ve výzkumu mohou slepé uličky vést časem k zajímavým výsledkům, ale zkuste to vysvětlit politikům a daňovým poplatníkům.

(spe)

spe2015_4_s2_stellarator.jpg

Pohled na základní konstrukční prvky reaktoru Wendelstein 7-X.

Modře: Plazma vzniklé z vodíku zavedeného do komory a ohřátého až zhruba na 100 miliard Kelvinů (či stupňů Celsia, rozdíl je minimální). Plazma je samozřejmě udržováno ve vzduchoprázdnu uvnitř komory, která probíhá mezi magnety, a pro přehlednost není zachycena.

Červeně: Padesát primárních magnetů, které vytvářejí magnetické pole pro udržení plazmy. Jsou zhruba 3,5 metru vysoké, a každý je vytvořen zhruba z kilometru supravodivého vedení.

Oranžově: Planární magnety, kterých je na zařízení 20, umožňují jeho přesnější nastavení a řízení.

Šedivě: Kryostat, tedy „ochranný plášť“ celého reaktoru, umožňuje zároveň jeho chlazení na teplotu blízkou absolutní nule, cca 3 K (tedy -270 °C). V průměru má zhruba 16 metrů.

Svět plný energie > Témata > Zamotaná cesta k nové energii

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

12.6.2019 177 GW obnovitelných zdrojů do provozu v roce 2018

AKTUALITY Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) celkový instalovaný výkon obnovitelných zdrojů uvedených v roce 2018 do provozu činil 177 GW. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt:

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

12.6.2019 177 GW obnovitelných zdrojů do provozu v roce 2018

AKTUALITY Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) celkový instalovaný výkon obnovitelných zdrojů uvedených v roce 2018 do provozu činil 177 GW. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt: