Přečtěte si:  Smart city a elektromobilita pro praktický užitek a jejich aktuální výzvy

Český tokamak COMPASS jde do důchodu, jeho následovníkem bude COMPASS Upgrade

31.8.2021 V pátek 20. srpna 2021 proběhl poslední experiment na tokamaku COMPASS, který provozuje Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR (ÚFP). Po dvanácti letech ukončuje svůj provoz. V zařízení, ve kterém se testuje řízená jaderná fúze, proběhlo za tu dobu více než 21 tisíc výbojů vysokoteplotního plazmatu. Na jeho místě bude v nejbližších letech vybudován zcela nový tokamak – COMPASS Upgrade se světově unikátními parametry, který má za cíl vyřešit některé z klíčových problémů spojených se stavbou prototypu fúzní elektrárny.

Základní pojmy: plazma, jaderná fúze, tokamak

Plazma (viz foto vpravo) je tzv. čtvrté skupenství hmoty, které je navíc nejrozšířenější ve vesmíru. Skládají se z něj v podstatě všechny hvězdy včetně našeho Slunce. Lze si ho představit jako plyn zahřátý na velmi vysokou teplotu, čímž dojde k odtržení elektronů z atomů. Tím vznikne plazma, které se skládá z kladně nabitých jader atomů a elektronů, které spolu navzájem poměrně složitě reagují.

Jaderná fúze představuje reakci, při níž se atomová jádra lehčích prvků slučují v jádra těžších prvků a zároveň dochází k uvolnění energie. V pozemských podmínkách je k tomuto účelu nejvhodnější reakce deuteria a tritia (těžký a supertěžký izotop vodíku), při níž vzniká helium a neutron. Deuterium, tedy atom vodíku obsahující v jádru proton a neutron, se vyskytuje ve vodě, sice ve velmi malém množství, ale je lehce získatelné. Tritium, tj. atom vodíku obsahující v jádru proton a dva neutrony, bude vyráběno uvnitř reaktoru z lithia.

Tato reakce má velmi vysokou účinnost. ÚFP to laicky připodobňuje takto: Deuterium z lahve vody a tritium z baterie od notebooku by pomocí fúzní reakce generovalo takové množství energie, které spotřebuje člověk za celý život. Navíc takový zdroj energie nebude produkovat radioaktivní odpad, bude zcela bezpečný a paliva máme k dispozici na tisíce roků.

Tokamak je zařízení, vytvářející toroidální (rotační prstencové) magnetické pole, používané jako magnetická nádoba pro uchovávání vysokoteplotního plazmatu (teploty v řádech stamiliónů K – až 200 mil. °C – pro názornost asi desetkrát více než ve středu Slunce) při jaderné fúzi. Poznámka: Označení „tokamak“ vzniklo z ruského pojmu „тороидальная камера с магнитными катушками" (toroidní komora v magnetických cívkách).

Komora tokamaku (foto níže) má – pro laickou představu – tvar pneumatiky a jsou na ni navinuty masivní magnetické cívky. Ty vytvářejí velmi silné magnetické pole speciálního tvaru, které pak dokáže plazma držet uprostřed vakuové komory tak, aby se téměř nedotýkalo její stěny. Další komplexní systémy tokamaku dokážou plazma zahřát na zmíněné extrémní teploty nebo řídit jeho polohu. Celé toto zařízení se tedy musí vypořádat nejen se žhavým plazmatem, ale také s velmi vysokými elektromagnetickými silami, aniž by došlo k posunu nebo deformaci komory.

Vnitřek komory českého tokamaku

Projekt ITER

Celosvětový výzkum v tomto odvětví bude vrcholit v roce 2025, kdy se v jihofrancouzském Caradache spustí mezinárodní tokamak ITER – první experimentální zařízení, ve kterém by horké plazma mělo vyrobit více energie, než kolik se do něj vloží. Dalším krokem bude postavení prototypu fúzní elektrárny DEMO.

Cílem projektu ITER je dostat výzkum fúzní reakce na novou úroveň s využitím dosud největší tokamakové jednotky. Ta by měla být schopna uchovat plazmu produkující tepelnou energii o výkonu 500 MW po dobu až sedmi minut.

Polovina nákladů na tento projekt je financována ze zdrojů EU, zatímco druhou polovinu financují rovným dílem Čína, Japonsko, Indie, Rusko, Jižní Korea a USA.

Unikátní český tokamak

V České republice probíhá výzkum jaderné fúze již od 70. let. 20. století. V roce 2005 započala v ÚFP instalace tokamaku COMPASS (viz foto řídicího střediska a vnitřku jeho komory). Jeho hlavním cílem byla vědecká a technická podpora realizace největšího mezinárodního projektu – zmíněného tokamaku ITER.

Řídicí středisko českého tokamaku

COMPASS byl úspěšně uveden do provozu v roce 2009 a vědecké výsledky získané za 12 let provozu výrazně předčily původní očekávání a vynesly český vědecký tým na evropskou špičku. Experimenty na tokamaku COMPASS tak měly zásadní vliv na konstrukci tokamaku ITER. Například díky sérii detailních měření rozložení tepelných toků na komponentách tzv. první stěny tokamaku COMPASS došlo k výrazné optimalizaci tvaru těchto komponent pro ITER, což následně umožní dosažení potřebných parametrů výbojů.

Důležitým výzkumným tématem bylo také studium tzv. poruchových magnetických polí, která vznikají v důsledku nepřesností při instalaci obrovských supravodivých cívek tokamaku. Tokamak COMPASS je jako jediný na světě vybaven rozsáhlým souborem dodatečných cívek, které umožňují tato poruchová pole napodobit. Díky získaným experimentálním výsledkům se nejen podařila určit minimální přesnost instalace magnetických cívek tokamaku ITER, ale i úspěšně vyvinout postupy, které umožňují tato poruchová pole dodatečně kompenzovat. V posledních letech se výzkum na tokamaku COMPASS orientoval i na problematiku odvádění energie z plazmatu, což představuje jeden z klíčových problémů pro konstrukci budoucí termojaderné elektrárny.

Stálé vylepšování pro budoucnost

Celá infrastruktura tokamaku COMPASS procházela během svého provozu neustálým vylepšováním. Posledním z nich byla instalace nového systému pro ohřev plazmatu s výkonem 1 megawatt, díky kterému se podařilo prozkoumat nové provozní režimy slibné pro budoucí elektrárny. Současně ale již probíhají intenzivní práce na konstrukci nového zařízení COMPASS Upgrade, které bude stát ve stejné experimentální hale a které bude jako jediné na světě schopno plazma udržet pomocí extrémně vysokých magnetických polí (až 5 Tesla) podobně jako budoucí největší tokamaky ITER a DEMO. COMPASS Upgrade, jehož stavba je financována z Operačního programu OP VVV z MŠMT, tedy bude schopen generovat v mnoha ohledech podobné podmínky, jako jsou uvnitř těchto budoucích zařízení, a tím významně přispět k vyřešení klíčových výzev spojených s konstrukcí a provozem budoucích fúzních elektráren.

Tokamak COMPASS kromě špičkového výzkumu fungoval i jako školicí zařízení pro mladé fúzní vědce a vědkyně. Pravidelně organizovaných letních a zimních škol se dohromady účastnilo více než 300 studentů a studentek z 30 různých zemí světa. COMPASS tak významně přispěl k výchově nové generace, která bude provozovat tokamaky ITER a DEMO.

ÚFP, redakčně upraveno a rozšířeno

Foto © ÚFP

Další informace zde

Přečtěte si také:

Reaktor Temelína je dokonale chráněn – ochranná budova obstála v přísné zkoušce

26.8.2021 Co když se přes elektrárnu přežene tornádo? Tak mohou znít obavy neznalých lidí ve stínu nedávné živelné katastrofy na Jižní Moravě. Pro bezpečnost reaktoru slouží jeho ochranná budova, která se nazývá anglicky containment, počeštěno na kontejnment. Jak prokázala bezpečnostní zkouška, která byla dokončena v polovině srpna 2021, kontejnment reaktoru druhého bloku elektrárny Temelín splňuje všechna kritéria těsnosti. 

Výstavba fúzního reaktoru Iter zahájena

18.12.2013 V polovině října 2013 byla v Caradache v jižní Francii zahájena stavba tokamakového komplexu pro experimentální fúzní reaktor Iter. Kromě tohoto fúzního reaktoru bude součástí tokamakového komplexu také diagnostický komplex a komplex pro tritiové hospodářství. Tokamakový komplex bude 120 metrů dlouhý a 80 m široký a vysoký. Reaktorový systém vážící 23 tisíc tun bude spočívat na antiseisimických ložiscích. 

Víte, jak funguje baterie?

S bateriemi se setkáváme na každém kroku. Právě v naší rubrice Elektromobilita se o nich často pojednává jako o zdrojích elektrické energie. Bude proto užitečné si připomenout, jak baterie fungují 

Víte, jak funguje jaderná elektrárna?

Pro porozumění základnímu principu fungování jaderné elektrárny si nejprve stručně ukážeme, jak probíhá výroba elektřiny v uhelné elektrárně a teplo spalovaného uhlí nahradíme jiným teplem – teplem ze štěpné jaderné reakce. 

Víte, jak funguje fotovoltaický článek?

 Víte, co to je a jak funguje smart grid?

Výrazem „smart grid“, nebo také česky „inteligentní síť“, bývají označovány komunikační sítě, které umožňují regulovat výrobu a spotřebu elektrické energie v reálném čase. Základním principem smart grid je vzájemná obousměrná komunikace 

Víte, co to je a jak funguje ostrovní systém?

Některé články v naší rubrice Výroba a přenos se zmiňují o tzv. ostrovních systémech. O jaké systémy tedy jde? 

Pojmy, které je dobré znát

Principy popisovaných technologií

Zde naleznete v přehledném seznamu popisy principů moderních technologií, od baterií, LED, palivového či fotovoltaického článku přes elektromobily, CBTC či kogeneraci  až po větrnou, vodní a jadernou elektrárnu, ostrovní systémy či smart grid.

Cyklus odborných konferencí „Smart city v praxi“ a „Elektrické autobusy pro město“

Konference „Elektrické autobusy pro město“ se již od svého prvního běhu v říjnu 2013 vyprofilovala jako zcela ojedinělá prezentační a vzdělávací akce i jako místo vzájemné výměny aktuálních zkušeností mezi profesionály z elektrické osobní dopravy. Díky svému zaměření na konkrétní téma, konkrétní prezentující a konkrétní publikum se tato konference stala prostředkem přímé komunikace mezi výrobci elektrobusů a trolejbusů (včetně jejich komponent a infrastruktury) a jejich provozovateli a uživateli. V neposlední řadě zde hrají důležitou roli i zástupci institucí, které rozhodují o financování této dopravy, nebo mají v tomto ohledu aktuální a spolehlivé informace. Konference „Smart city v praxi“ je zaměřena především na ty zástupce měst a obcí a veřejných organizací, kteří se budou rozhodovat o volbě konkrétních řešení od konkrétního dodavatele pro definování a naplňování investičních projektů, jimiž je koncept smart city v daném městě realizován.

Pozvánky na tyto konference a zprávy z těchto a dalších konferencí naleznete zde.

Copyright © 2012 – 2024 Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services