ROZHOVOR | ITER musí dosáhnout desetkrát vyšší teploty než Slunce, říká ředitel Ústavu plazmatu Pánek

Radomír Pánek je ředitelem Ústavu plazmatu Akademie věd ČR. V únoru tohoto roku se stal jedním ze dvou místopředsedů správní rady Evropského společného podniku Fusion for Energy. Organizace se sídlem v Barceloně zajišťuje evropskou část Mezinárodního termonukleárního experimentálního reaktoru ITER. Zároveň povede Technický poradní panel této rady.

Cílem projektu ITER je realizace monumentálního zařízení na výrobu „čisté a téměř nevyčerpatelné energie“ (tzv. tokamak), které má za cíl prokázat možnost výroby elektrické energie z termojaderné fúzní reakce. Toto experimentální zařízení, na jehož vybudování se v jižní Francii podílí celý rozvinutý svět, by již mělo produkovat výkon 500 MW.

Navíc Ústav plazmatu disponuje vlastním tokamakem COMPASS, ve kterém se vykonávají nejrůznější experimenty pro ITER i pro jiné projekty.

Jakou mírou se na spolufinancování projektu ITER podílí Česká republika?

Česká republika se finančně účastní projektu ITER v rámci účasti Evropské unie, která hradí přes 40 % nákladů projektu jako hostitel. Každý partner projektu zajišťuje a řídí in-kind dodávky pomocí svých domácích agentur. U některých partnerů funkci domácí agentury převzal některý z významných výzkumných ústavů, jako například v Japonsku. Nicméně co se týká Evropy, Evropská komise pro tento účel založila speciální instituci, společný evropský podnik, který nese název Fusion for Energy (F4E). Tato institute má sídlo v Barceloně a jejím úkolem je zajistit vývoj a dodávku evropské části projektu ITER v ceně cca dvanácti miliard euro. Navíc k tomuto do projektu investovala jednu miliardu euro Francie jakožto hostitelská země. Tyto prostředky byly primárně využity na přípravu místa vybraného pro projekt a na rozsáhlé terénní úpravy. Jedná se o areál srovnatelný například s areálem jaderné elektrárny Temelín. Je to samozřejmě vysoká částka, na druhou stranu musím říct, že se to finančně Francii velmi bohatě vrátilo. Francouzské firmy dostaly následně zakázky na dodávky technologických celků, staveb a tak dále ve dvoj až trojnásobné výši. A to je již významný impuls pro lokální ekonomiku.

Je zřejmé, že se na ITERU podílí čeští vědci, ale je nějaké komodita, která proudí do Cadareche vyloženě z Česka?

Česká spolupráce s ITERem má dvě hlavní formy. Jedna je přímá vědecká a druhá představuje technologické dodávky. Také je nutné rozlišit, zda jde o kontrakt s F4E nebo přímo s ITER Organization, která také dojednává některé dodávky a spolupráce. Po té vědecko-technické stránce probíhá spolupráce poměrně intenzivně. Provádíme například na vyžádání ITERu řadu experimentů na našem tokamaku COMPASS v Praze. Jednalo se například o optimalizování tvarů částí první stěny reaktoru, na které dopadá plazma a jsou proto tepelně velmi namáhané. Prokázali jsme, že v původním návrhu by u těchto částí došlo k brzkému roztavení. Díky rozsáhlým experimentům se nám podařilo pochopit fyzikální příčiny a následně jsme navrhli optimalizovaný tvar. A takovýchto příkladů bych mohl uvést více.

Pokud bychom se bavili o přímém vývoji a dodávce některého ze systémů ITERu, stojí určitě za zmínku vývoj tak zvaných Hallových sond pro přesné měření magnetického pole v samotném reaktoru. Náš ústav byl odpovědný za vývoj nového typu senzorů pro přesné měření magnetického pole v dlouhých časových škálách v ITERu. Magnetické pole v tokamaku a jeho prostorové rozložení představuje základní provozní parametr reaktoru, nicméně v případě ITERu musí být senzory umístěny ve velmi nehostinných podmínkách, které se vyznačují vysokým radiačním i tepelným namáháním. Standardní senzory zde nelze použít, a proto jsme vyvinuli novou metodu, která je založena na principu Hallových senzorů. Ve spolupráci s několika firmami z Česka i ze zahraničí jsme vyvinuli a vyrobili osmdesát kusů takových senzorů včetně měřící elektroniky. Ty se nyní zrovna balí a odesílají na ITER, aby se začaly příští rok instalovat.

České firmy mají také možnost dodávat na ITER relativně standardní technologie, které nevyžadují významný výzkum a vývoj. Nicméně v této oblasti české firmy projevily poměrně malý zájem a mezi hlavními dodavateli víceméně žádná nefiguruje. Některým českým firmám se alespoň podařilo uspět jako subdodavatel některé z velkých evropských společností, nicméně o subdodavatelích se statistika nevede, tudíž nemáme konkrétní informace.

Abychom podpořili účast českého průmyslu na stavbě projektu ITER, a tím také zvedali jejich technologické know-how, téměř každý rok pořádáme pro české firmy ITER Industry Day. Toho se účastní experti z F4E a z Organizace ITER a seznamují české podniky s možnostmi dodávek, s organizací výběrových řízení, administrativou a podobně. Takže snad se zájem českých firem postupně zvedne a podaří se jim uspět v náročných výběrových řízeních.

Podílí se na projektu ITER ještě nějaké další české vědecké instituce?

Náš ústav se zaměřuje primárně na problematiku spojenou s fyzikou plazmatu, vývojem pokročilých senzorů a méně na vývoj samotných technologií, které jsou naopak hlavní doménou Centra výzkumu Řež. Tato instituce pracuje na několika technologických úkolech. Nejvýznamnější z nich spočívá v testování panelů první stěny reaktorové nádoby. Pro tento účel kolegové vyvinuli speciální elektronové dělo (HELCZA pozn. redakce), které je schopné vygenerovat potřebný tok energie na plochu testovaných beryliových panelů.

Pokud bych měl finančně vyčíslit naši vědeckou spolupráci s projektem ITER, lze říct, že se nám zatím podařilo získat výzkumné kontrakty v hodnotě přes dvě stě milionů korun, což není na vědu úplně málo. V jakých hodnotách získaly zakázky české firmy nelze jednoduše zjistit, protože jak jsem řekl dříve, statistika se neprovádí až na úroveň subdodavatelů.

V čem je pro ITER výjimečný tokamak COMPASS, který má na své půdě Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR?

Výzkum na našem tokamaku COMPASS neprobíhá primárně přímo pro ITER, ale v rámci evropského vědeckého konsorcia EUROfusion, které sdružuje dvacet osm evropských laboratoří. Toto konsorcium je částečně financované grantem z Evropské komise a smyslem je koordinovat evropský fúzní výzkum s cílem vyvinout fúzní elektrárnu. V rámci konsorcia se každá laboratoř specializuje na určitou oblast fúzního výzkumu podle svého vědeckého vybavení a know-how. My jsme jedni z mála v Evropě, kdo má své velké experimentální zařízení, kterým je tokamak COMPASS. Proto je intenzivně využíván vědci z řady laboratoří tohoto konsorcia. Hlavním cílem těchto experimentů je samozřejmě podpora konstrukce a budoucího využívání ITERu, ale také příprava konstrukce prototypu fúzního reaktoru DEMO.

Náš tokamak jsme začali instalovat v roce 2006 a první plazma jsme v něm dokázali generovat již v roce 2009. Toto zařízení v sobě kombinuje několik výhod. Jednak je přiměřeně velký, respektive malý, aby umožňoval vysokou flexibilitu jeho využití na rozdíl od některých velkých experimentů v zahraničí, kde změny konfigurací trvají i řadu měsíců. Dále má tvar řezu plazmatem stejný jako ITER, ale v lineárních rozměrech desetkrát menší. To je zásadní pro tak zvané škálování některých jevů, kterým v tuto chvíli ještě dostatečně nerozumíme nebo je nedokážeme namodelovat, směrem k ITERu. K tomu se využívají ještě další dva evropské tokamaky. ASDEX Upgrade v Německu a JET ve Velké Británii. Z dat těchto tří tokamaku lze již extrapolovat údaje až k ITERu podobně jako se to děje například v aerodynamických tunelech a testech na modelech.

A poslední výhodou je to, že jsme schopni plazma v COMPASSu provozovat v tak zvaném H-módu, to je speciální režim udržení plazmatu, ve kterém bude pracovat také ITER. Toto zařízení nám umožnilo během dvanácti let velmi výrazně zvednout úroveň fúzního výzkumu v ČR minimálně na evropskou špičku. Nicméně na počátku příštího roku začne jeho demontáž, aby uvolnil místo novému tokamaku COMPASS Upgrade, který již bude představovat zcela unikátní zařízení i ve světovém měřítku.

Jaký je u ITERU nejhorší scénář z pohledu vědců, fyziků? Je nejhorší možnost, že by ten tokamak nefungoval?

Tokamak samotný téměř jistě fungovat bude, ale teoreticky samozřejmě hrozí, že se objeví zatím neznámý fyzikální důvod nebo jev, který znemožní dosažení požadovaných nejvyšších parametrů. Na druhou stranu ale nic takového není v současné době známo. Naopak některé poslední experimenty ukazují, že by ITER mohl být schopen teoreticky dosáhnout větší amplifikace výkonu než deset. Takže z fyzikálního pohledu bych byl optimistický.

Druhý možný problém jsou potřebné technologie a materiály pro velmi specifická prostředí. Nicméně toto je spíše problém dalších větších zařízení, jako například DEMO, proto pro ITER je již rozhodnuto o skladbě materiálů, téměř vše je již vyprojektováno a postupně začíná montáž na místě.

Následný prototyp reaktoru DEMO jde ještě o krok dál v nárocích na materiály a technologie a na cestě k jeho realizaci se zajisté objeví řada problémů, na řešení některých z nich již dnes pracujeme. Věřím, že tyto potenciální problémy ale budou řešitelné a v nejhorším případě pouze o něco zpozdí uvedení fúzního zdroje do energetického mixu.

A jak vypadá nejhorší možný scénář elektrárny na principu tokamaku z pohledu bezpečnosti?

Fúzní reaktor je inherentně bezpečný. Na rozdíl od štěpných reaktorů je palivo do fúzní reakce přidáváno postupně a jedná se spíše o proces podobný klasickému hoření, při kterém nemůže za žádných okolností dojít k řetězové reakci. V samotném reaktoru bude v každém okamžiku velmi málo paliva a pokud by se začalo dít něco neočekávaného nebo nechtěného, operátor zastaví přísun paliva a dokáže reakci víceméně okamžitě zcela vypnout. Toto jde ale u štěpných reaktorů velmi složitě a pomalu.

Jedním potenciálním problémem, který může nastat, je ztráta kontroly při stabilizaci, levitaci, plazmatu uprostřed reaktorové nádoby. Ale i v takovém případě se pouze plazma ve zlomku vteřiny posune blíže ke stěně reaktoru, začne s ní interagovat a tím se okamžitě ochladí a zanikne. Takže jediná nepříjemnost by bylo odtavení několika mikronů tlusté vrstvy materiálu z první stěny, což není zásadní problém, pokud se to nebude stávat příliš často.

A co se týká radioaktivního materiálu, tritium, se bude vyskytovat pouze uvnitř reaktoru samotného, a navíc v poměrně malém množství, řádově stovky gramů. Pokud by došlo z nějakého vnějšího důvodu k explozi reaktoru, tak by se jednalo pouze o velmi lokální problém.

Je tedy vidět, že se bude jednat o velmi bezpečný zdroj energie.

Přeci jenom je ale tritium radioaktivní.

Tritium je izotop vodíku, který se volně v přírodě nevyskytuje. Aby mohl být využit jako palivo do fúzního reaktoru, bude vyráběn přímo v jeho obálce štěpením lithia pomocí neutronů. Takto vyrobené tritium bude obratem odvedeno do plazmatu, kde „shoří“ jako palivo. Tudíž se nikde mimo vnitřní část samotného reaktoru nemůže vyskytovat. Každopádně tritium se vyznačuje velmi krátkým poločasem rozpadu, který trvá pouze dvanáct let.

Na rozdíl od současných štěpných reaktorů odpadá u fúzních potřeba rozsáhlého transportu radioaktivního paliva a dlouhodobé skladování velkého množství vyhořelého paliva s velmi dlouhým poločasem rozpadu.

Jedinou dlouhodoběji radioaktivní částí u fúzních reaktorů bude materiál reaktorové nádoby, který bude postupně aktivován bombardováním neutrony vznikajícími v plazmatu při fúzní reakci. Pro konstrukci reaktorové nádoby budou ale použity nové typy nízkoaktivačních ocelí, které umožní recyklaci tohoto materiálu již po několika desítkách let od ukončení provozu elektrárny.

Neutrony vznikající při fúzní reakci nesou největší část energie. Poté co neutron opustí plazma, je zpomalen a zachycen v obálce reaktoru, které předá svoji energii a kterou protéká chladící médium. Obálka obsahuje také lithium, které interaguje s neutrony za vzniku tritia. To je následně separováno a použito jako palivo. Tritium tedy neopustí reaktor.

Máme popsáno fungování tokamaku a plazmatu, ale jak bude vznikat elektrická energie?

Jak jsem již zmínil, největší část energie z fúzní reakce nesou neutrony, které ji předají obálce reaktoru, kterou protéká chladící médium primárního okruhu.

Druhý produkt reakce je tak zvaná alfa částice neboli jádro helia, má elektrický náboj, a proto je zachyceno magnetickým polem a postupně srážkami předá svoji energii plazmatu, čímž ho ohřívá na vysokou teplotu tak, aby mohla termonukleární reakce dále hořet. Část plazmatu z jeho okraje je průběžně odváděna do části nazvané divertor, kde dopadá na speciální povrh. Ten je vysokým tokem energie z plazmatu ohříván na vysokou teplotu a následně předává energii také chladícímu médiu v primárním okruhu.

Médium v primárním okruhu posléze přes výměník tepla ohřívá sekundární okruh a následně roztáčí generátor podobně jako ve standardní jaderné elektrárně.

A za jakých podmínek dojde k zapálení termonukleární reakce?

Podmínky, za kterých dojde k zapálení termonukleární reakce, jsou charakterizovány Lawsonovým kritériem, které v podstatě říká, že součin hustoty plazmatu, teploty a koeficientu, který charakterizuje, jak kvalitně je plazma izolované v prostoru, musí být větší než daná konstanta.

V případě tokamaků, v kterých dosahujeme relativně nízkých hustot plazmatu, je nezbytné plazma ohřát na velmi vysoké teploty, aby bylo Lawsonovo kritérium splněno. Pro zapálení termonukleární reakce bude nutné dosahovat teplot přes sto padesáti milionů stupňů Celsia. To je asi těžko představitelná teplota, ale pro srovnání je to desetkrát více než je teplota v centru Slunce.

Jak je možné takovou teplotu udržet v uzavřeném prostoru a jak je vůbec možné takovou teplotu změřit?

Právě vývoj konceptu, který bude co nejlépe schopen izolovat plazma o teplotě až 150 milionů stupňů Celsia v prostoru byl hlavním úkolem fúzního výzkumu v posledních padesáti letech. Nejdále v tomto pokročil právě koncept tokamaku, na jehož principu bude také první fúzní reaktor.

Měření teplot plazmatu o velikosti stovek milionů stupňů Celsia není samozřejmě možné provést pomocí standardních metod a provádí se to pomocí výkonných laserů, jejichž fotony se rozptylují o elektrony v plazmatu. Poté jsou zachyceny a analýza změny jejich parametrů umožní určit teplotu plazmatu v daném místě.

Přeci jenom Slunce je obrovské a horké. Věřím tomu, že spousta lidí z laické veřejnosti bude mít problém představit si, jak velké je to v tokamaku.

Ano, máme pocit, že Slunce musí být nesmírně horké, nicméně to tak úplně neplatí ve srovnání s fúzním reaktorem.

Plasma v současných tokamacích si můžeme představit jako pneumatiku nebo kouli o poloměru desítek centimetrů až několik metrů. Samotný ITER bude mít vnější obálku zvanou kryostat o průměru i výšce kolem třiceti metrů, ale plazma samotné zabírá jen zlomek tohoto objemu, asi tisíc metrů krychlových.

Současný tokamak COMPASS by měl nahradit mnohem větší a výkonnější tokamak COMPASS Upgrade. Proč jste se rozhodli starý tokamak nahradit?

Současný tokamak COMPASS nám pomohl pozvednou výzkum fúze v ČR na významně vyšší kvalitativní úroveň a také umožnil významně rozšířit výzkumný tým. V současnosti již bude projekt ITER brzy uveden do provozu a pozornost výzkumu se přesouvá na ostatní zařízení na řešení hlavních problémů, kterým bude čelit realizace projektu DEMO.

Aby byl náš výzkum co nejvíce relevantní těmto úkolům, přemýšleli jsme o konstrukci nového zařízení, které dokáže co nejlépe adresovat tyto výzvy, ale přitom bude finančně realizovatelné. V posledních dvaceti letech do fúzního výzkumu masivně investovala především Čína a Jižní Korea, kterým se podařilo realizovat supravodivé tokamaky schopné udržet plazma po mnoho minut. Nicméně tato zařízení jsou investičně velmi náročná, náklady se pohybují v desítkách miliard korun.

Po rozsáhlé diskuzi s předními světovými odborníky i s experty z Organizace ITER, jsme dospěli k závěru, že v současném fúzním výzkumu chybí tokamak střední velikosti, který je schopen generovat magnetické pole alespoň pěti Tesla, podobné hodnoty jako u ITERu a případně DEMO. V poslední době se totiž ukázalo, že plazma se chová při vyšším magnetickém poli částečně odlišně, je méně náchylné k některým typům stabilit a dosahuje výrazně lepších parametrů. Velikost magnetického pole má totiž přímý vliv na kvalitu udržení plazmatu, nicméně současné tokamaky jsou schopné generovat magnetické pole většinou do tří Tesla. Vyšších polí byl schopen dosáhnout pouze jediný tokamak C-mod provozovaný univerzitou MIT v USA. Ten již ale musel být z provozních důvodů odstaven.

Navrhli jsme tedy tokamak střední velikosti, který bude schopen generovat magnetické pole pět Tesla a elektrický proud v plazmatu až dva miliony Ampér. Jedním z výzkumných cílů tohoto zařízení bude řešení jednoho z hlavních problémů fúzních reaktorů, kterým je odvod energie z plazmatu. Proto bude COMPASS Upgrade schopen pracovat při parametrech v některých ohledech podobných budoucím fúzním reaktorům, které není možné v ostatních současných experimentálních zařízeních dosáhnout. Bude schopen dosahovat extrémních toků energie v plazmatu a zároveň testovat technologii tekutých kovů. Ta představuje pokročilou technologii, která by měla umožnit neustále obnovovat povrch materiálů, na který působí extrémní tok energie z plazmatu a tím dochází k jeho degradaci.

Aby bylo možné generovat v tokamaku takto vysoké magnetické pole, je nutné měděné cívky tokamaku napájet po dobu několika sekund výkonem až 250 MW, a to i přestože budou zchlazené na teplotu kapalného dusíku, čímž se desetkrát sníží jejich odpor. V současné době již probíhá výroba jednotlivých částí energetického systému a finalizuje se konstrukční návrh jednotlivých částí, aby mohla začít jejich výroba. Tokamak bude uveden do provozu v roce 2023.

První část obsáhlého rozhovoru vyšla v sobotu 21. listopadu, třetí vyjde úterý 24. listopadu.