Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 3 – vyšlo 15. ledna, ročník 14 (2016)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Nám, nám narodil se Vendelín

Radek Beňo

Zdá se, že lidské sny o elektrárně budoucnosti jsou zase o něco blíž realitě. Německý Institut Maxe PlanckaMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech. Zahrnuje celkem 80 ústavů, jde o německou obdobu naší Akademie věd. pro fyziku plazmatu v Greiswaldu zažívá v posledním měsíci již dávno očekávaný průlom. Dne 10. prosince 2015 zde byla poprvé zažehnuta plazmatická reakce na obřím stelarátoruStelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku. Wendelstein 7-X. Ten je největším fúzním zařízení typu stelarátor na světě – jeho stavba trvala více než 9 let a stála přibližně 370 milionů eur. Stejně jako stavba největšího tokamakuTokamak – 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. na světě, ITERu ve francouzské oblasti Cadarrache, má i Wendelstein 7-X prokázat, zda je konstrukce tohoto typu fúzního reaktoru vhodným adeptem pro budoucí fúzní elektrárny.

Obr. 1: Příprava jednoho segmentu komory stelarátoru W7-X.
Zdroj: MPI für Plasmaphysik..

Stelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku.

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.

W7-X – obří stelarátor zprovozněný na konci roku 2015 v německém Wendelsteinu: plazmový prstenec má průměr 11 metrů a tloušťku zhruba metr. Plazma ve stelarátoru má objem 30 m³, teplotu až 100 milionů kelvinů a koncentraci 3×10²⁰ částic v metru krychlovém. Magnetické pole na udržení plazmatu je až 3 tesla. Výboj by měl probíhat kontinuálně po dobu 30 minut s mikrovlnným ohřevem. Časová konstanta pro charakteristický úbytek energie se očekává 0,15 s.

Tore Supra – tokamak postavený v blízkosti hradu Cadarache ve Francii. Stavba byla započata v roce 1982 a první plazma bylo v tokamaku vytvořeno v roce 1988. Průměr komory tokamaku je 2,25 m. V roce 1996 se zde dosáhlo rekordní doby trvání výboje 2 minuty a v roce 2003 dokonce 6,5 minuty. Po výměně divertoru za wolframový byl v roce 2016 přejmenován na tokamak WEST.

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.

Per aspera ad astra

Známý latinský citát, který v českém překladu zní přes překážky ke hvězdám, by mohl být přesným motem stelarátoruStelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku. Wendelstein 7-X. Název stelarátor je totiž odvozen z latinského stella, což v překladu znamená hvězda, a stejně jako tokamakTokamak – 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. je toto zařízení určeno pro udržení plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. pomocí magnetického pole za účelem řízené termojaderné fúze, tedy slučování jader deuteria a tritia za vzniku helia při uvolnění velkého množství energie ve formě neutronůNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron.. Koncept stelarátoru navrhl v roce 1951 americký teoretický fyzik Lyman Spitzer, po kterém je mimo jiné pojmenován i Spitzerův vesmírný dalekohled. Magnetické pole stelarátoru je generováno výhradně vnějšími cívkami, které mohou být nakonfigurovány dvojím způsobem. Prvním z nich je konfigurace souvislými šroubovitými cívkami (obrázek 3). Druhá možná konfigurace je velmi podobná tokamaku bez jádra, ke kterému je navíc šroubovitě navinuta cívka v toroidálním tvaru. Hlavní výhodou stelaratorů oproti tokamakům je možnost uchovávat plazma v kontinuálním režimu a také skutečnost, že plazmatem neteče žádný proud (již samo plazma je zakřiveno, takže není nutné ho stabilizovat pomocí proudu). Proto se ale stelarátory neobejdou bez složitých dodatečných cívek na tvorbu poloidálního pole. Takové cívky jsou díky svému tvaru a účelu velmi drahé a musí být sestaveny s mimořádnou přesností. Vysoká cena a složitost stelarátorů je příčinou toho, že stelarátory byly předčeny tokamaky, které jsou podstatně levnější a jednodušší.

Obr. 2: Stavba stelarátoru Wendelstein 7-X. Zdroj: MPI für Plasmaphysik.

Dlouhá cesta k úspěchu

Stavba stelarátoru Wendelstein 7-X započala v dubnu 2005 a byla dokončena v květnu 2014. Komora stelarátoru o celkovém objemu 30 m³ je tvořena z velkého ocelového toru o poloměru 5,5 metru, jehož tvar je upraven tak, aby kopíroval budoucí vytvořené plazma. Komora zde tvoří především pevný obal nutný k vytvoření vakua, jehož hodnoty se pohybují přibližně kolem 10⁻⁷ Pa. Kolem komory je umístěno 20 rovinných a 50 specifických (nerovinných) supravodivých cívek, které mají nejdelší rozměr přibližně 3,5 metru. Při provozu jsou všechny cívky podchlazeny na 4 kelviny (–269 stupňů Celsia) pomocí kapalného hélia, přičemž cívkami protéká proud až 12,8 kA. Tyto cívky jsou schopny vytvořit magnetické pole až o velikosti 3 tesla. Soustava rovinných cívek zajišťuje především vymezení životního prostoru pro plazma uvnitř komory, nerovinné cívky mají za úkol přesně stáčet plazmatický sloupec. Wendelstein 7-X by měl dosáhnout hustoty plazmatu 3×10²⁰ částic/m³ při teplotách 60÷130 milionů stupňů Celsia. Za pomoci dodatečného mikrovlnného ohřevu bude schopno zařízení fungovat v „nepřetržitém“ provozu až po dobu 30 minut, což je daleko za hranicí tokamaků pracujících v pulzním režimu. Budoucí tokamak 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. je při svých parametrech schopen udržet plazma kolem 5 minut, za enormní úspěch by se považoval výboj o délce 16 minut. Za nejdelší udržený výboj se v současnosti považuje výboj na francouzském tokamaku Tore SupraTore Supra – tokamak postavený v blízkosti hradu Cadarache ve Francii. Stavba byla započata v roce 1982 a první plazma bylo v tokamaku vytvořeno v roce 1988. Průměr komory tokamaku je 2,25 m. V roce 1996 se zde dosáhlo rekordní doby trvání výboje 2 minuty a v roce 2003 dokonce 6,5 minuty. Po výměně divertoru za wolframový byl v roce 2016 přejmenován na tokamak WEST. z roku 2003, který trval 6,5 minuty. Tento tokamak se ale na dlouhé výboje přímo specializuje.

Obr. 3: Tělo stelarátoru a jeho „vrstvy“. Červeně jsou vyobrazeny specifické
(nerovinné) cívky, oranžově pak cívky rovinné. Zdroj: MPI für Plasmaphysik.

První plazma

Od května 2014 se začalo zařízení postupně testovat a uvádět do provozu. Vše pak vyvrcholilo dne 10. prosince 2015, kdy byl do komory napuštěn přibližně 1 mg helia, se kterým bylo dosaženo (s pomocí 1,3 MW dodatečného mikrovlnného ohřevu) výboje trvajícího přibližně desetinu sekundy. Plazma přitom mělo teplotu zruba 1 milion stupňů Celsia. Tento úspěšný experiment dokazuje perfektní kondici stelarátoru a je posledním předstupněm před vytvořením klasického vodíkového plazmatu. To by se mohlo podařit na Wendelsteinu 7-XW7-X – obří stelarátor zprovozněný na konci roku 2015 v německém Wendelsteinu: plazmový prstenec má průměr 11 metrů a tloušťku zhruba metr. Plazma ve stelarátoru má objem 30 m³, teplotu až 100 milionů kelvinů a koncentraci 3×10²⁰ částic v metru krychlovém. Magnetické pole na udržení plazmatu je až 3 tesla. Výboj by měl probíhat kontinuálně po dobu 30 minut s mikrovlnným ohřevem. Časová konstanta pro charakteristický úbytek energie se očekává 0,15 s. už v prvním čtvrtletí roku 2016.

Obr. 4: Fotografie prvního héliového plazmatu ve stelarátoru Wendelstein 7-X na sklonku roku 2015. Odhadovaná teplota uvnitř plazmatického sloupce je 1 milion stupňů Celsia.. Zdroj: MPI für Plasmaphysik.

Video: Wendelstein 7-X, největší stelarátor na světě.
Zdroj: Science AAAS. (mp4/h264, 26 MB)

Odkazy