V červenci 2016 se v britském Culhamu konalo mezinárodní jednání, které se zabývalo budoucností společného evropského fúzního reaktoru JET. V souvislosti s výstavbou nového reaktoru ITER byly na jednání hodnoceny zkušeností získané na reaktoru JET a při spouštění nového supravodivého tokamaku JT-60SA v Japonsku.
Reaktor Joint European Torus (Společný evropský torus) zkráceně označovaný jako JET [1] je v provozu již od roku 1983 ve výzkumném Centru pro fúzní energii v Culhamu (Culham Centre for Fusion Energy, CCFE). Z Culhamu mimochodem pochází i fúzní reaktor COMPASS, který je instalován v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR v Praze a představuje hlavní vědeckou infrastrukturu tuzemského fúzního výzkumu [2]. Reaktor JET byl doposud provozován na základě smlouvy mezi Evropskou komisí a Úřadem pro atomovou energii Spojeného Království UKAEA, avšak Brexit prodloužení smlouvy zkomplikoval.
Reaktor JET
JET je největší fúzní zařízení založené na magnetickém udržení plazmatu na světě a je nejdůležitějším projektem evropského výzkumného programu jaderné fúze. Tokamak JET byl navržen a později modernizován tak, aby umožňoval studium termojaderného plazmatu s cílem energetického využití jaderné fúze. V roce 1991 dosáhl JET jako první na světě uvolnění významného množství fúzní energie a v roce 1997 překročil fúzní výkon reaktoru 16 MW. Tím JET poskytl nezvratný důkaz o vědecké realizovatelnosti získávání energie pomocí jaderné fúze.
V současnosti zůstává JET na špičce světového fúzního výzkumu. Je využíván pro výzkum fyzikálních vlastností termojaderného plazmatu, vývoj a testování reaktorových systémů, vývoj a ověřování diagnostických zařízení nebo testování nových konstrukčních materiálů. Reaktor JET společně využívá řada evropských fúzních laboratoří sdružených v konsorciu EUROfusion.
Projekt ITER
Dohoda o výstavbě společného mezinárodního experimentálního fúzního reaktoru ITER byla oficiálně podepsána na úrovni ministrů sedmi členů projektu ITER v Paříži dne 21. listopadu 2006. Partnery v projektu ITER se staly Čína, Evropská unie, Indie, Japonsko, Korejská republika, Rusko a USA. Tito partneři se dohodli na dlouhodobé spolupráci a společném vybudování a provozování reaktoru ITER s cílem přípravy realizace demonstrační fúzní elektrárny označované zkratkou DEMO. Reaktor ITER je navržen tak, aby prokázal technickou realizovatelnost jaderné fúze [3].
Po následné ratifikaci dohody všemi partnery byla 24. září 2007 založena ITER International Fusion Energy Organization (zkráceně ITER Organization, IO). Na základě společného rozhodnutí partnerů bylo zvoleno místo výstavby reaktoru v jižní Francii, v sousedství výzkumného střediska CEA Cadarache poblíž obce Saint Paul-lez-Durance. Detailní studie ukázaly, že vybraný prostor o rozloze 180 ha splňuje technické požadavky, zejména geologické, hydrologické a seismické standardy včetně přístupu k vodě a elektřině.
Od zahájení výstavby projekt splnil první důležitý mezník, když byla v roce 2012 ITER Organization licencována jako provozovatel jaderných zařízení. Jde o historicky první fúzní reaktor, který potřeboval a následně získal řádnou jadernou licenci k provozu, podobně jako jaderné elektrárny.
Role reaktoru JET
Již několik let je zřejmé, že se harmonogram výstavby reaktoru ITER opožďuje. Jedním z hlavních důvodů bylo rozhodnutí partnerů o rozdělení výroby většiny komponent reaktoru mezi partnerské země. Projekt se stal prvním skutečně světovým projektem, ovšem za cenu nutnosti nejprve sjednotit výrobní normy jednotlivých partnerských zemí.
K dohodě o novém harmonogramu došlo na zasedání Rady ITER v dubnu 2016. Podle tohoto harmonogramu bude první vodíkové plazma vytvořeno v roce 2025. Přibližně po dalších šesti letech bude zahájen provoz s deuteriovým plazmatem a v roce 2035 budou zahájeny cílové experimenty s deuterium-tritiovým (DT) plazmatem. Mezinárodní společenství se vzhledem ke zpoždění výstavby zaměřuje na detailní přípravu experimentů ITER na stávajících fúzních zařízeních a na zvyšování kvalifikace fúzních vědců a inženýrů, aby byla minimalizována provozní rizika a bylo zajištěno rychlé a bezproblémové zprovoznění reaktoru. Pro koordinaci celosvětového experimentálního úsilí se zvažuje také zřízení mezinárodních vědeckých pracovních skupin.
Reaktor JET umožňuje jako jediné zařízení na světě provést řadu experimentů, simulujících provoz reaktoru ITER, především experimenty s DT plazmatem, testování beryliové první stěny (vnitřní stěny reaktoru přímo vystavené plazmatu), testovaní technologií zpracování tritia nebo dálkově ovládaných robotických zařízení pro údržbu reaktoru. Po řadě průběžně prováděných úprav je JET připraven na experimenty pro optimalizaci provozu reaktoru ITER a také k zaškolování personálu pro najíždění a provoz reaktoru.
Vývoj provozních scénářů reaktoru ITER
Provozní scénáře reaktoru ITER jsou připravovány na základě probíhajících fúzních experimentů po celém světě. Tyto scénáře ale nejsou podloženy experimenty s DT plazmatem, kterých se doposud provedlo velmi málo; podobně není zcela zřejmý vliv beryliové první stěny na DT plazma. Chybějící experimenty mohou být provedeny právě v reaktoru JET. To by umožnilo přesnější sestavení provozních scénářů ITER, které v současnosti vycházejí pouze z experimentů s deuteriovým plazmatem a grafitovou první stěnou [4].
Provedením experimentů na reaktoru JET by se snížila rizika projektu ITER a následně v dlouhodobém horizontu čas potřebný k dosažení hlavního cíle projektu ITER, kterým je demonstrace technické proveditelnosti energetického využití jaderné fúze. Pokud by se při experimentech na reaktoru JET objevil nějaký problém, je dostatek času na jeho výzkum a vývoj alternativního scénáře. Pokud bude stejný problém zjištěn až při experimentech na reaktoru ITER, bude nutné do jeho vyřešení pozastavit výzkumný program s dopadem do harmonogramu výzkumu.
Jako příklad využití reaktoru JET dobře poslouží vývoj tzv. hybridních scénářů, při kterých je v plazmatu generován elektrický proud společně induktivními a neinduktivními metodami. Přechod od induktivní generace elektrického proudu v plazmatu k neinduktivní je jednou z podmínek využití fúzních reaktorů typu tokamak jako energetických zdrojů, protože induktivní generování elektrického proudu vede k pulsnímu režimu reaktoru. V reaktoru JET jsou v posledních letech ověřovány hybridní scénáře využívající nové technologie ohřevu a generování elektrického proudu (Heating and Current Drive, H&CD) a v rámci připravovaných experimentů s DT plazmatem bude testování těchto scénářů pokračovat.
Dalším příkladem může být vývoj injektorů neutrálních svazků (Neutral Beam Injection, NBI). Injektory NBI reaktoru JET byly v uplynulých letech postupně inovovány a jejich vývoj byl pečlivě dokumentován. Reaktor ITER získané zkušenosti v plné míře využije.
Modernizace reaktoru JET
Aby bylo možné reaktor JET hlouběji využívat pro experimenty relevantní ITER, je připravována jeho modernizace. Modernizace by se dotkla především provedení reaktorové komory, systému ohřevu plazmatu, systému řízení reaktoru a prostředků pro diagnostiku fyzikální procesů v plazmatu.
Experimenty provedené po instalaci beryliové první stěny, podobné první stěně reaktoru ITER (ITER-Like Wall, ILW), ukázaly velký vliv této stěny na chování plazmatu a nutnost doplnění dalších systémů ohřevu plazmatu. Proto bylo navrženo zvýšit výkon ohřevu o 10 MW formou instalace nového systému elektronového cyklotronového resonančního ohřevu (Electron Cyclotron Resonance Heating, ECRH). Návrh předpokládá instalaci dvanácti gyrotronů s výkonem 1 MW ve střední rovině reaktoru.
Další součástí modernizace je zdokonalení divertoru. Divertor je nejvíce zatížené zařízení reaktoru, které čistí a tvaruje plazma. Na terče divertoru dopadá horké plazma a jejich funkčnost zpětně limituje parametry celého reaktoru. Proto je vývoj divertoru jednou z priorit celosvětového fúzního výzkumu. Nový divertor reaktoru JET se bude tvarem, geometrií, materiálově i povrchem podobat divertoru ITER. Experimenty týkající se divertoru tak budou pro ITER více relevantní.
Modernizace systému diagnostiky, související s rozšířením systému ohřevu a s novým divertorem umožní přesnější lokální měření a získávání údajů o klíčových fyzikálních parametrech s vyšší přesností především z hlediska energetických toků v divertoru a v celé reaktorové komoře.
Dosavadní využití reaktoru představuje přibližně 15 % z celkové předpokládané životnosti reaktoru. Životnost reaktoru JET je tak dostačující pro jeho další provoz.
Součinnost s tokamakem JT-60SA
Nový velký japonský tokamak JT-60SA budovaný s evropskou podporou je důležitou součástí celosvětového fúzního programu. Na rozdíl od reaktoru JET bude vybaven supravodivými magnetickými cívkami a zaměří se výzkum steady-state scénářů. Reaktor se tak bude doplňovat s reaktorem JET při přípravě programu reaktoru ITER. Vytvoření prvního plazmatu reaktoru JT-60SA je plánováno na rok 2019. Výzkumný program bude zahájen v letech 2023–2024. JT-60SA umožní řešit vědecké problémy související s dlouhou dobou trvání výboje a významná část jeho činnosti se zaměří na scénáře neinduktivního vlečení proudu v plazmatu.
Závěr
Reaktor JET představuje díky své velikosti, možnosti experimentů s DT plazmatem a vybavení reaktoru systémem dálkové manipulace mezistupeň k provozu reaktoru ITER. Experimenty provedené na reaktoru JET mohou do značné míry snížit rizika provozu reaktoru ITER a urychlit jeho výzkumný program. Je vhodný také pro vyškolení vědců a inženýrů pro provoz reaktoru ITER.
Při jednání o budoucnosti JET byl zřejmý zájem účastníků o pokračování výzkumu na reaktoru, avšak problémem se ukázalo financování jeho modernizace a dalšího provozu. Společným jmenovatelem obou hledisek je priorita projektu ITER. Ze stejného důvodu by JET neměl být provozován déle než do roku 2023, protože od tohoto roku bude ITER potřebovat všechny zkušené operátory.
Financování provozu reaktoru JET je zajištěno pouze do roku 2019 a poslední experimenty jsou naplánovány na rok 2018. O budoucnosti reaktoru JET po roce 2019 tak rozhodne, zda EU poskytne pro JET další peníze paralelně s financováním projektu ITER. A to není vzhledem k Brexitu a ekonomické situaci Evropy nijak jisté.
Poděkování
Ilustrace a fotografie jsou použité s laskavým svolením JET a ITER. Děkujeme Ministerstvu školství, mládeže a tělovýchovy za finanční podporu projektu LG 14002 „Přímá vědecká účast v programu termojaderného výzkumu Společného evropského toru JET“. Aktivita byla podpořena Strategií Akademie věd AV21 v rámci výzkumného programu „Systémy pro jadernou energetiku“.
Reference
-
https://www.ipp.cas.cz/vedecka_struktura_ufp/tokamak/tokamak_compass/index.html
-
F. Romanelli, Fusion Electricity, A roadmap to the realization of fusion energy, EFDA, 2012, dostupné na https://www.euro-fusion.org/downloads/
-
T Donne et al, Risk Mitigation for ITER by a Prolonged and Joint International Operation of JET, Journal of Fusion Energy 35 (2016) 85