Vodíkové plazma uvnitř tokamaku COMPASS

„Je to vůbec poprvé, co Američané mají zájem využívat velké experimentální zařízení v Česku, a proto se podílejí na jeho financování a realizaci,“ řekl časopisu Moderní ekonomická diplomacie Radomír Pánek, ředitel Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR. Dosud to bývalo naopak, čeští vědci se snažili získat přístup ke špičkové americké výzkumné infrastruktuře formou účastnických poplatků.

Princetonská laboratoř fyziky plazmatu se podobně jako pražský ústav zabývá možnostmi fúze jader atomů lehkých prvků, tak jak se to děje ve hvězdách včetně našeho Slunce – na rozdíl od dnes známějšího štěpení jader atomů těžkých prvků v jaderných elektrárnách. Po „těžkém“ uranu vstupuje na scénu „lehký“ vodík. Cílem takového výzkumu je dosáhnout bezemisního a bezpečného způsobu výroby energie z prakticky nevyčerpatelného zdroje – vody.

Umělé Slunce

Termonukleární reakce probíhá ve vodíkovém plazmatu za neuvěřitelných teplot až dvou stovek milionů stupňů Celsia ve fúzním reaktoru – takzvaném tokamaku nebo stellarátoru. Nový tokamak COMPASS-Upgrade, primárně financovaný z Operačního programu Výzkum, vývoj a vzdělávání, v Libni nahradí stávající experimentální fúzní zařízení COMPASS. Ten zamířil do Prahy z britského centra pro fúzní energii v Culhamu u Oxfordu zhruba před patnácti lety.

Americko-česká vědecká spolupráce se nadějně rozvíjí i v dalších oblastech včetně využívání laserové infrastruktury v Dolních Břežanech u Prahy nebo projektů malých jaderných reaktorů. V případě termonukleární fúze ale pokročila nejdál, o čemž svědčí také loňská smlouva mezi americkým ministerstvem energetiky a Akademií věd ČR i jejím Ústavem fyziky plazmatu.

Podobně jako v případě jiných fúzních zařízení ve světě budou výsledky experimentů v pražském COMPASS-Upgrade využity jak v rámci velkého mezinárodního projektu výstavby obřího tokamaku ITER na jihu Francie, tak především pro přípravu fúzního reaktoru, který už bude součástí evropské prototypové elektrárny DEMO.

Spolupráce s národní laboratoří v Princetonu se podle Radomíra Pánka netýká pouze technického návrhu tokamaku a souvisejících výpočtů a modelování. Američané také uvažují o tom, že by mohli dodat některou z částí pražského fúzního zařízení. I v tomto případě se počítá s financováním amerického ministerstva energetiky.

Současný tokamak COMPASS – experimentální zařízení v pražské Libni

Kouzlo tekutých kovů

A proč mají princetonští vědci o pražský tokamak takový zájem? Provozovatelé zařízení v Libni se totiž zaměří mimo jiné na klíčový výzkum, který se týká využívání tekutých kovů jako lithium, cín nebo jejich slitiny. Jednotlivé části budoucího fúzního reaktoru musí snést podobné tepelné zatížení, jako by se nacházely na povrchu Slunce. U dnes využívaných materiálů by tak docházelo k jejich rychlé degradaci a nutnosti časté výměny. Tekuté kovy by ale mohly zajistit neustálé obnovování povrchů těchto částí, které budou vlivem extrémních toků energie z plazmatu odpařeny. Radomír Pánek upozorňuje, že COMPASS-Upgrade se stane prvním zařízením, které bude schopné testovat využití tekutých kovů za podmínek v mnoha ohledech blízkých budoucím fúzním elektrárnám.

Vize zapojení fúzních reaktorů do energetického mixu přináší lidstvu velkou naději, zároveň je ale „během na dlouhou trať“ a dočkáme se ho nejspíš někdy ve druhé polovině tohoto století. Prototypy elektráren využívajících energii z tokamaků by se měly začít stavět v Evropě, Číně nebo Jižní Koreji v letech 2035–2040. Radomír Pánek předpokládá, že Evropská unie může mít v tomto ohledu díky dlouhodobému plánování svých výzkumných a inovačních aktivit oproti jiným regionům světa konkurenční výhodu.

Získávání odolných materiálů, které je se zkoumáním jaderné fúze spojené, má ale mnohem širší využití v řadě dalších odvětvích. „Je to podobné jako v případě kosmického výzkumu, který urychlil vývoj mnoha technologií. S řadou z nich se nyní setkáváme v běžném životě,“ zdůrazňuje ředitel Ústavu fyziky plazmatu. Upozorňuje, že díky studiu jaderné fúze zamířily velké finanční prostředky například do výzkumu supravodičů, vývoje pokročilých materiálů nebo kryogeniky. Vyvíjené wolframové materiály se například uplatní ve vysokoteplotních průmyslových provozech.

Výstavba mezinárodního tokamaku ITER na jihu Francie

Evropské vazby

Ústav fyziky plazmatu v rámci prací na designu nového tokamaku rovněž navázal úzkou spolupráci s Polskem – konkrétně Ústavem jaderné fyziky Polské akademie věd v Krakově. Polští inženýři a technici mají podle Radomíra Pánka zkušenosti s významnými vědeckými projekty – podíleli se na stavbě částí urychlovače částic CERN ve Švýcarsku nebo stellarátoru Wendelstein v Německu. Poláci spolupracují na návrhu některých systémů nového libeňského tokamaku a předpokládá se, že se budou významně podílet také na jeho sestavování a následném vědeckém využívání.

Hlavním pilířem mezinárodních aktivit Ústavu fyziky plazmatu je pak spolupráce v rámci evropského konsorcia EUROfusion, které koordinuje termonukleární výzkum v rámci Evropské unie. Nový libeňský tokamak fakticky bude klíčovým evropským testovacím zařízením pro využití technologií tekutých zdrojů v budoucích fúzních elektrárnách a pozvedne tím český výzkum v této oblasti na světovou špičku. Díky vysoké úrovni fúzního výzkumu v Česku se Radomír Pánek letos stal jedním ze dvou místopředsedů správní rady společného evropského podniku Fusion for Energy, který zajišťuje realizaci evropského podílu na mezinárodním projektu fúzního reaktoru ITER. Evropa se na projektu tohoto tokamaku podílí 46 procenty a Fusion for Energy tak má „pod palcem“ koordinaci vývoje a dodávek za 12 miliard eur.

Jak upozorňuje Radomír Pánek, také budoucí pražský tokamak se stane jedním z center navazujícího mezinárodního výzkumu: „Téměř sto procent provozního času tokamaku COMPASS-Upgrade budeme využívat ve spolupráci se zahraničními partnery.“

Šance pro české firmy

Na výstavbě tokamaku COMPASS-Upgrade se budou podílet i české firmy. Do finální fáze už se dostává příprava energetických zdrojů pro libeňský tokamak. Současná experimentální zařízení nejsou určena k výrobě energie, naopak vyžadují přívod významného množství elektřiny ke svému provozu. Proto se i v případě nového pražského tokamaku počítá s výstavbou nových generátorů, transformátorů a rozvoden. Příslušnou zakázku už získala společnost Elektrotechnika a.s. se svými subdodavateli včetně firmy TES Vsetín.

Další příležitosti se rýsují v oblasti dalších dodávek součástí tokamaku, jakými jsou velké cívky, vakuová komora a kryostat. Radomír Pánek trochu lituje, že se české firmy do tohoto perspektivního a technologicky zajímavého segmentu zatím příliš nehrnou: „Jako země s prakticky nejvyšším podílem průmyslu v Evropě bychom mohli být v tomto ohledu aktivnější a více se ucházet například o zakázky pro projekt ITER.“

České výzkumné ústavy už každopádně v oblasti výzkumu jaderné fúze významných úspěchů dosáhly. Ústav fyziky plazmatu například ve spolupráci s dalšími institucemi vyvinul pro reaktor ITER speciální senzory pro měření magnetického pole odolné vůči vysokým teplotám a radiační zátěži. Centrum výzkumu Řež zase vyvinulo zařízení Helcza na principu elektronového děla pro testování tepelné odolnosti panelů první stěny tokamaku ITER. Tuzemské vědecké ústavy tak dosud podle Radomíra Pánka získaly výzkumné zakázky pro projekt ITER za zhruba 200 milionů korun.

Autor: Jan Žižka

Foto: Ústav fyziky plazmatu AV ČR

Článek vyšel na webu export.cz