Vědci Ústavu fyziky plazmatu [ÚFP] AV ČR a mezinárodního projektu ITER zahájili výzkum, jehož cílem je výroba čisté a téměř nevyčerpatelné energie v tokamaku. Tokamak je zařízení, v němž vědci simulují a zkoumají termojadernou fúzi.
Jaderná fúze představuje slibnou cestu k nízkoemisní a bezpečné produkci elektrické energie. V rámci projektu ITER vědci plánují zprovoznit v jižní Francii v roce 2026 stejnojmenný tokamak. To je první experimentální fúzní zařízení, ve kterém by horké plazma mělo vyrobit více energie, než kolik se do něj vloží. Dalším krokem bude postavení prototypu fúzní elektrárny DEMO.
„Aby fúzní reaktory dokázaly zajistit kontinuální a spolehlivý provoz, musí se vypořádat s celou řadou výzev. Jednou z nich je i náhlé a neplánované předčasné ukončení plazmatického výboje formou takzvané disrupce plazmatu,“ vysvětluje ředitel ÚFP AV ČR a člen vedení evropské organizace Fusion for Energy a reprezentant Evropy ve vědecké radě ITER Organization Radomír Pánek.
Podle Jiřího Adámka z ÚFP AV ČR, který stál v čele experimentujících vědců, k disrupcím dochází vždy, když přestane být plazma stabilní.
„Kromě narušení plynulosti provozu jsou tyto jevy významné i proto, že během nich může docházet k extrémnímu silovému namáhání jednotlivých komponent fúzních zařízení. Jako je například v aktuálně budovaném tokamaku ITER,“ říká.
Disrupce plazmatu působí škody v tokamaku
Tuzemští vědci již nyní předložili experimentální důkaz o fyzikálním limitu pro elektrické proudy tekoucí mezi plazmatem a první stěnou reaktoru. A to právě v době, kdy je plazma nestabilní. Přitom vyvinuli techniky, které dokážou významně zmírnit jejich dopad na reaktor. Nové zjištění nyní zdokonalují počítačové modely pro budoucí fúzní reaktory.
„Právě proto jsme s kolegy z projektu ITER přistoupili k sérii pokusů na našem pražském tokamaku COMPPASS. Ten již v minulosti poskytl řadu výsledků majících zásadní vliv na konstrukci a provoz tokamaku ITER,“ přibližuje Adámek.
Podle něj při disrupcích dochází v tokamacích k náhlým ztrátám tepelné a magnetické energie uložené v plazmatu. Na velkých zařízeních, jako je tokamak ITER, mohou vést k extrémním tokům energie a mechanickým silám. Ty ničí komponenty první stěny reaktoru.
„Disrupce tak ovlivňuje opotřebení a celkovou životnost těchto komponent nebo je i poškodí,“ upozorňuje Adámek.
Hlavním zdrojem mechanického namáhání během disrupce jsou elektrické proudy. To jsou takzvané halo proudy. Ty cirkulují mezi plazmatem a první stěnou reaktoru. V kombinaci se silným magnetickým polem v tokamaku vytvářejí obrovské síly.
Důležitá je znalost fyzikálního limitu
Série experimentů na tokamaku COMPASS, kterou vědci uskutečnili v roce 2020 ještě před tím, než zařízení loni ukončilo činnost, měla určit právě velikost a rozložení halo proudů během disrupcí. Hlavním výsledkem těchto systematických měření je porovnání halo proudů. Přesněji jejich hustot [Jhalo] s tokem iontů plazmatu [Jplasma] pro různé hodnoty proudů protékajícího plazmatem [IP] před disrupcí.
„Toto unikátní srovnávací měření poprvé prokázalo, že halo proudy limitují toky iontů plazmatu. Což představuje důležitý fyzikální limit,“ upozorňuje vědec.
Experimenty na COMPASSu podle něj i potvrdily, že celková hodnota halo proudů vstupujících do první stěny tokamaku narůstá s elektrickým proudem protékajícím plazmatem před disrupcí. Tato skutečnost spolu s nově zjištěným fyzikálním limitem vede k závěru, že celkový povrch, přes který procházejí halo proudy, se zvětšuje s celkovým proudem plazmatu. Výsledek je, že dochází k většímu rozprostření halo proudů uvnitř komory tokamaku. A tím ke snížení lokálního namáhání komponent první stěny.
–RED–
