Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 20 – vyšlo 11. srpna, ročník 4 (2006) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

20/2006

Tokamak COMPASS-D se stěhuje do Prahy

Petr Kulhánek

Dávno přesluhující tokamak CASTORCASTOR – Czech Academy of Sciences TORus, tokamak v České republice, který byl postaven v Kurčatovově institutu v SSSR v roce 1961. Od roku 1977 byl umístěn v Praze a sloužil pro vědecké a výukové cíle Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. V roce 1983 prošel rekonstrukcí a získal novou komoru. Jeho provoz byl ukončen v roce 2006. Poloměr tokamaku byl 40 cm, maximální pole 1,5 T. umístěný v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR v Praze bude nahrazen anglickým tokamakemTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025. COMPASS-D s lepšími parametry a konfigurací magnetického pole a plazmatu podobnou (v poměru 1:10) zatím největšímu budovanému tokamaku na světě – ITERuITER – původně zkratka pro „International Thermonuclear Experimental Reactor“, dnes se název odvozuje z latinského slova „iter“, které znamená „cesta“. Předpokládaný výkon reaktoru je 500 MW, stavba probíhá v blízkosti francouzského hradu Cadarache. Reaktor bude mít průměr 6 metrů. Tento dosud největší tokamak ITER by měl být uveden do provozu kolem roku 2025. Předpokládá se, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou první skutečné termojaderné elektrárny..

Tokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025. CASTOR – Czech Academy of Sciences TORus, tokamak v České republice, který byl postaven v Kurčatovově institutu v SSSR v roce 1961. Od roku 1977 byl umístěn v Praze a sloužil pro vědecké a výukové cíle Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. V roce 1983 prošel rekonstrukcí a získal novou komoru. Jeho provoz byl ukončen v roce 2006. Poloměr tokamaku byl 40 cm, maximální pole 1,5 T. JET – Joint European Torus, zařízení postavené v anglickém Culhamu. Stavba byla započata v roce 1978 a byla dokončena v roce 1983. První řízená termojaderná syntéza byla díky použití směsi deuteria a tritia uskutečněna v roce 1991 (1 MW), v roce 1997 byl dokonce dosažen fúzní výkon 16 MW. Společnost JET Joint Undertaking provozující tokamak ukončila činnost v roce 1999. Od té doby provozuje JET společnost UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority) pro uživatele z celé Evropské unie a Švýcarska. MAST – Mega-Ampere Spherical Tokamak. Fúzní zařízení umístěné v UKAEA v anglickém Culhamu. Tokamak MAST byl uveden do provozu v roce 1998 jako následovník úspěšného sférického tokamaku START. Poloměr tokamaku je 0,85 m, magnetické pole 0,6 T, dodatečný ohřev plazmatu činí 5 MW. ITER – původně zkratka pro „International Thermonuclear Experimental Reactor“, dnes se název odvozuje z latinského slova „iter“, které znamená „cesta“. Předpokládaný výkon reaktoru je 500 MW, stavba probíhá v blízkosti francouzského hradu Cadarache. Reaktor bude mít průměr 6 metrů. Tento dosud největší tokamak ITER by měl být uveden do provozu kolem roku 2025. Předpokládá se, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou první skutečné termojaderné elektrárny. Termojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium.

Tokamak COMPASS-D byl provozován v anglickém Culhamu od roku 1989. V roce 1992 by přestavěn a průřez vakuové komory získal charakteristický tvar písmene „D“, odsud pochází název tokamaku COMPASS-D. Jeho činnost byla ukončena v roce 1999 v souvislosti s uvedením sférického tokamaku MASTMAST – Mega-Ampere Spherical Tokamak. Fúzní zařízení umístěné v UKAEA v anglickém Culhamu. Tokamak MAST byl uveden do provozu v roce 1998 jako následovník úspěšného sférického tokamaku START. Poloměr tokamaku je 0,85 m, magnetické pole 0,6 T, dodatečný ohřev plazmatu činí 5 MW. do provozu. Společnost UKAEAUKAEA – United Kingdom Atomic Energy Authority, anglická společnost zabývající se jaderným a fúzním výzkumem, která má 2300 zaměstnanců. Společnost byla založena v roce 1954 a ředitelství sídlí v anglickém Harwellu. v Culhamu ještě provozuje dosud největší tokamak světa JETJET – Joint European Torus, zařízení postavené v anglickém Culhamu. Stavba byla započata v roce 1978 a byla dokončena v roce 1983. První řízená termojaderná syntéza byla díky použití směsi deuteria a tritia uskutečněna v roce 1991 (1 MW), v roce 1997 byl dokonce dosažen fúzní výkon 16 MW. Společnost JET Joint Undertaking provozující tokamak ukončila činnost v roce 1999. Od té doby provozuje JET společnost UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority) pro uživatele z celé Evropské unie a Švýcarska.. Anglická strana nabídla bezúplatný převod tokamaku COMPASS-D České republice. Vláda České republiky tento převod odsouhlasila usnesením č. 1405 z 2. listopadu roku 2005 a schválila dodatečnou finanční injekci Akademii věd pro rok 2005 ve výši 50 milionů korun. Pro rok 2006 je počítáno se 150 miliony korun. Akademie věd se musela postarat o novou budovu a napájecí systém pro tokamak a vytvořit kvalitní vědecký tým. Hodnota tokamaku se odhaduje na půl miliardy korun. Budoucí provozní náklady tokamaku Compass-D představují zhruba 3,4 milionu korun ročně. Budou hrazeny z výzkumného záměru Ústavu fyziky plazmatu a z domácích a zahraničních grantů a projektů. Nyní 20 až 40 % těchto provozních nákladů hradí asociace EURATOMEURATOM – European Atomic Energy Community, mezinárodní společenství zabývající se využitím atomové energie v Evropě. Vzniklo na základě balíku smluv mezi poválečnými západoevropskými státy. Dnes je zcela integrováno do Evropské unie. Založené bylo v roce 1957.. Plánovaný převoz tokamaku z Anglie je o prázdninách 2006. Do jisté míry se tak opakuje situace s předchozím tokamakem CASTORCASTOR – Czech Academy of Sciences TORus, tokamak v České republice, který byl postaven v Kurčatovově institutu v SSSR v roce 1961. Od roku 1977 byl umístěn v Praze a sloužil pro vědecké a výukové cíle Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. V roce 1983 prošel rekonstrukcí a získal novou komoru. Jeho provoz byl ukončen v roce 2006. Poloměr tokamaku byl 40 cm, maximální pole 1,5 T., který byl převezen ze Sovětského Svazu v 70. letech 20. století.

COMPASS-D. Povšimněte si komory tvaru písmene „D“. Zdroj: UKAEA.

Parametr	CASTOR	COMPASS-D	MAST	JET	ITER
Hlavní poloměr R	0,4 m	0,56 m	0,85 m	2,96 m	6,2 m
Vedlejší poloměr a	0,085 m	0,23 až 0,38 m	0,65 m	1,25 m	2 m
Objem plazmatu	0,08 m3	0,5  m3	7 m3	50 m3	873 m3
Proud	25 kA	400 kA	2 MA	5 MA	15 MA
Doba udržení	50 ms	2 s	5 s	20 s	400 s
Magnetické pole	1,5 T	2,1 T	0,6 T	3,5 T	5,3 T

Porovnání parametrů některých tokamaků

Základní princip tokamaku – tokamak tvoří sekundární závit obřího transformátoru.

Samotný princip tokamaku navrhl Andrej Sacharov v letech 1950 až 1952. Plazma tvoří sekundární závit obřího transformátoru a vyplňuje oblast tvaru toroidu (můžete si představit zdeformovanou pneumatiku), který má v nejjednodušším případě kruhový průřez. U tokamaku rozlišujeme dva základní směry. Prvním je toroidální směr podél sekundárního závitu (plazmatu), tj. ve směru tečení elektrického proudu. Vzniklé magnetické pole má poloidální směr, tj. směr kolem sekundárního závitu (plazmatu). K dvěma základním parametrům geometrie tokamaku pak patří hlavní poloměr  (R, poloměr plazmového prstence) a vedlejší poloměr  (a, poloměr komory s plazmatem). COMPASS-D nemá komoru kruhového průřezu, ale tvaru písmene „D“. Ve vodorovném směru má parametr a hodnotu 0,23 m a ve svislém směru 0,38 m.

Samotné pole tvořené proudem protékajícím plazmatem by k udržení plazmatu po delší dobu nestačilo, plazma podléhá řadě nestabilit, kterým se dá zabránit důmyslnější konfigurací polí. Soustava pomocných cívek v tokamaku generuje jak poloidální, tak toroidální pole. Plazma v tokamaku dosahuje vysoké teploty. S tím souvisí velká vodivost plazmatu a nízký elektrický odpor, který brání dalšímu ohmickému ohřevu plazmatu. Plazma je proto dodatečně ohříváno, podobně jako jídlo v mikrovlnně troubě. Působí na něho elektromagnetické vlny nějaké rezonanční frekvence, na které je možné plazmatu předávat další energii. Zpravidla jde o elektronovou cyklotronní rezonanciCyklotronní rezonance – ECR (Electron Cyclotron Resonation), rezonanční pohlcování elektromagnetických vln na frekvenci rotace elektronů kolem magnetických silokřivek. Tato frekvence se nazývá cyklotronní a je přímo úměrná magnetickému poli. nebo dolní hybridní rezonanciDolní hybridní rezonance – LHR (Lower Hybrid Resonance), rezonanční pohlcování elektromagnetických vln elektrony a ionty na frekvenci dané geometrickým průměrem elektronové a iontové cyklotronní frekvence. Pod dolní hybridní frekvencí se nemůže šířit mimořádná elektromagnetická vlna. (ECR nebo LH ohřev).

Poloha významných evropských tokamaků. Zdroj: ÚFP AV ČR.

Očekává se, že na tokamaku COMPASS-D bude probíhat výzkum interakce mikrovln s plazmatem, chemických procesů na stěně nádoby, vývoj přístrojů pro měření parametrů plazmatu a magnetického pole, studium nestabilit a fluktuací polí. Vzhledem k podobnosti konfigurace se zařízením ITERITER – původně zkratka pro „International Thermonuclear Experimental Reactor“, dnes se název odvozuje z latinského slova „iter“, které znamená „cesta“. Předpokládaný výkon reaktoru je 500 MW, stavba probíhá v blízkosti francouzského hradu Cadarache. Reaktor bude mít průměr 6 metrů. Tento dosud největší tokamak ITER by měl být uveden do provozu kolem roku 2025. Předpokládá se, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou první skutečné termojaderné elektrárny. bude možné na tokamaku COMPASS-D v menším měřítku simulovat různé situace důležité pro samotný ITER. České vědecké obci COMPASS-D umožní dostat se na špici fúzního výzkumu v Evropě. Popřejme tedy na závěr COMPASSu-D šťastný start v České republice.

Odkazy