ITER

Rozbalit box

Obsah boxu

ITER (původně akronym z anglického International Thermonuclear Experimental Reactor, v latině slovo iter znamená "cesta") je mezinárodní vědecký a inženýrský megaprojekt, jehož cílem je postavit největší a nejvyspělejší experimentální tokamak na světě. Hlavním úkolem projektu je prokázat vědeckou a technologickou proveditelnost využití jaderné fúze jako budoucího zdroje čisté a prakticky nevyčerpatelné energie. Projekt je budován v Cadarache na jihu Francie.

Na projektu se podílí sedm hlavních partnerů: Evropská unie (prostřednictvím agentury Fusion for Energy), Čína, Indie, Japonsko, Jižní Korea, Rusko a USA. Tyto země společně reprezentují více než polovinu světové populace a přibližně 85 % globálního HDP.

ITER není navržen jako elektrárna; nebude vyrábět elektrickou energii pro komerční síť. Jeho primárním cílem je vyprodukovat výrazně více energie z fúzní reakce, než kolik je spotřebováno na ohřev plazmatu. Konkrétně se zaměřuje na dosažení tzv. zisku fúzní energie (Q) nejméně 10, což znamená, že z 50 MW vstupního výkonu pro ohřev plazmatu vygeneruje 500 MW fúzního výkonu po dobu několika stovek sekund.

⚛️ Cíle projektu

Hlavní mise projektu ITER je definována několika klíčovými vědeckými a technologickými cíli:

• Produkce fúzní energie s vysokým ziskem: Hlavním cílem je dosáhnout a udržet fúzní reakci, která vyprodukuje desetinásobek energie vložené do ohřevu plazmatu (Q ≥ 10). To by byl významný milník, protože dosavadní experimentální reaktory, jako je JET, dosáhly pouze hodnoty Q ≈ 0,67.
• Udržení "hořícího plazmatu": Projekt má za cíl studovat a kontrolovat "hořící plazma", což je stav, kdy je plazma z velké části ohříváno vlastními fúzními reakcemi (prostřednictvím alfa částic), nikoli externími zdroji. To je klíčový krok k soběstačné fúzní elektrárně.
• Testování technologií pro budoucí elektrárny: ITER bude sloužit jako testovací platforma pro klíčové technologie, materiály a systémy nezbytné pro budoucí demonstrační fúzní elektrárnu (DEMO). To zahrnuje testování supravodivých magnetů, vakuových systémů, kryogeniky, dálkové manipulace a systémů pro ohřev plazmatu.
• Testování konceptu množení tritia: Ačkoliv ITER sám nebude plně soběstačný v produkci tritia, bude testovat moduly tzv. blanketu (pláště), které obsahují lithium. Tyto moduly budou zachytávat vysokoenergetické neutrony z fúzní reakce a produkovat tritium, které je jedním z paliv. Tím se ověří koncept palivového cyklu pro budoucí elektrárny.
• Demonstrace bezpečnosti: Projekt má za úkol prokázat bezpečnostní charakteristiky fúzního reaktoru. Fúze je z principu bezpečná, protože jakákoli porucha vede k ochlazení plazmatu a okamžitému zastavení reakce, čímž je vyloučeno riziko jaderné havárie typu Černobyl.

📜 Historie a časová osa

💡 Počátky a koncepce

Myšlenka na mezinárodní spolupráci v oblasti jaderné fúze byla poprvé představena na Ženevském summitu supervelmocí v listopadu 1985. Generální tajemník KSSS Michail Gorbačov navrhl americkému prezidentovi Ronaldu Reaganovi společný projekt na vývoj fúzní energie pro mírové účely. Tato iniciativa byla pozitivně přijata a stala se symbolem uvolňování napětí na konci studené války.

V roce 1988 byly pod záštitou Mezinárodní agentury pro atomovou energii (MAAE) zahájeny koncepční práce (Conceptual Design Activities) za účasti Evropského společenství (Euratom), Japonska, Sovětského svazu a USA. Cílem bylo vytvořit detailní technický návrh experimentálního reaktoru. Tato fáze byla dokončena v roce 1990.

🏗️ Výběr lokality a výstavba

Po dokončení technického návrhu následovalo dlouhé období politických a diplomatických jednání o umístění projektu a jeho financování. O hostování projektu se ucházelo několik lokalit: Cadarache (Francie), Rokkasho (Japonsko), Vandellòs (Španělsko) a Clarington (Kanada). Po odstoupení Kanady a Španělska se finální rozhodnutí odehrávalo mezi Francií a Japonskem.

V červnu 2005 bylo po intenzivních jednáních dosaženo konsenzu a jako místo pro výstavbu ITER bylo vybráno Cadarache v jižní Francii. Dohoda o založení mezinárodní organizace ITER byla podepsána v Paříži v listopadu 2006 a ratifikována v roce 2007.

Stavební práce na místě byly oficiálně zahájeny v roce 2010. První fáze zahrnovala přípravu rozsáhlé plošiny o velikosti 42 hektarů a výstavbu seismické izolace pod budovou tokamaku.

📅 Klíčové milníky

• 2007: Oficiální vznik organizace ITER.
• 2010: Zahájení stavebních prací v Cadarache.
• 2012: Dokončení základů pro budovu tokamaku.
• 2014: Zahájení výstavby samotného komplexu budov.
• 2020: Oficiální zahájení fáze montáže tokamaku po dodání prvních klíčových komponent, jako jsou segmenty vakuové komory a cívky poloidálního pole.
• 2021–2025: Intenzivní montážní práce v reaktorové šachtě, instalace obřích cívek toroidálního pole, segmentů vakuové komory a centrálního solenoidu. Podle plánů z počátku dekády se očekávalo dosažení "prvního plazmatu" kolem roku 2025, avšak harmonogram byl několikrát revidován kvůli složitosti projektu a dopadům globálních událostí. K roku 2025 projekt pokračuje v montážní fázi.

⚙️ Technologie a princip fungování

ITER je zařízení typu tokamak, což je design vynalezený v Sovětském svazu v 50. letech 20. století. Využívá silná magnetická pole k udržení a izolaci extrémně horkého plazmatu ve vakuové komoře ve tvaru toroidu (pneumatiky).

🧲 Tokamak: Srdce reaktoru

Srdcem ITERu je samotný tokamak, masivní stroj o váze 23 000 tun, což je více než trojnásobek váhy Eiffelovy věže. Skládá se z několika klíčových systémů.

🔬 Vakuová komora

Vakuová komora je hermeticky uzavřená nádoba z nerezové oceli ve tvaru písmene D, kde probíhá fúzní reakce. Je vysoká 19,4 metru a široká 6,5 metru. Vnitřní objem plazmatu bude 840 m³. Stěny komory jsou dvojité a prostor mezi nimi je vyplněn vodou pro chlazení a stínění.

⚡ Magnetický systém

Pro udržení plazmatu o teplotě 150 milionů °C je zapotřebí extrémně silné magnetické pole. Magnetický systém ITER je největší a nejvýkonnější supravodivý magnetický systém, jaký byl kdy postaven. Skládá se ze tří typů magnetů:

• 18 toroidálních cívek (TF coils): Tyto obří cívky ve tvaru písmene D jsou rozmístěny po obvodu vakuové komory a vytvářejí hlavní toroidální magnetické pole, které udržuje částice plazmatu na kruhové dráze.
• 6 poloidálních cívek (PF coils): Jsou umístěny vně toroidálních cívek a slouží k tvarování plazmatu a jeho udržování ve stabilní poloze uvnitř komory.
• Centrální solenoid (CS): Tento magnet je "páteří" celého systému. Funguje jako primární vinutí transformátoru. Rychlá změna proudu v něm indukuje silný elektrický proud v plazmatu (až 15 milionů ampér), který plazma ohřívá a pomáhá ho stabilizovat.

Všechny tyto magnety jsou vyrobeny ze supravodivých materiálů (slitiny niobu a cínu nebo titanu), které musí být chlazeny na teplotu -269 °C (4 K) pomocí kapalného helia.

🔥 Ohřev plazmatu

Kromě ohmického ohřevu indukovaného centrálním solenoidem se používají další dva systémy pro dosažení extrémních teplot potřebných pro fúzi:

• Vstřikování neutrálních svazků (Neutral Beam Injection): Dva výkonné urychlovače vstřikují do plazmatu svazky vysokoenergetických neutrálních atomů, které předávají svou energii částicím plazmatu.
• Vysokofrekvenční ohřev: Systémy podobné obřím mikrovlnným troubám vysílají do plazmatu elektromagnetické vlny na specifických frekvencích, které rezonují s ionty nebo elektrony a ohřívají je.

🥶 Kryogenický systém

Kryostat ITERu je největší vakuová nádoba z nerezové oceli na světě, která obklopuje celý tokamak a tepelně ho izoluje od okolního prostředí. Uvnitř kryostatu udržuje kryogenický systém supravodivé magnety na extrémně nízké teplotě pomocí kapalného helia. Jedná se o jednu z největších a nejkomplexnějších kryogenických soustav na světě.

🛡️ Blanket a divertor

Vnitřní stěny vakuové komory jsou pokryty 440 moduly tzv. blanketu (pláště). Tyto moduly plní několik funkcí: chrání vakuovou komoru a magnety před intenzivním teplem a neutronovým zářením, a zároveň odvádějí teplo, které by v budoucí elektrárně pohánělo turbíny.

Na dně vakuové komory je umístěn divertor. Jeho úkolem je odvádět z plazmatu "popel" (hélium vzniklé fúzí) a další nečistoty, stejně jako velkou část tepelné zátěže. Komponenty divertoru jsou vystaveny nejdrsnějším podmínkám v celém reaktoru.

🌍 Mezinárodní spolupráce

ITER je unikátní svým modelem financování a spolupráce. Většina příspěvků není finanční, ale "věcná" (in-kind). Každý člen vyrábí a dodává specifické komponenty, za které je zodpovědný.

• Evropská unie jako hostitel nese největší podíl nákladů (cca 45,6 %).
• Ostatních šest členů (Čína, Indie, Japonsko, Jižní Korea, Rusko a USA) přispívá každý zhruba 9,1 %.

Tento model podporuje rozvoj špičkových technologií a průmyslových kapacit ve všech členských zemích. Koordinace výroby a dodávek komponent z celého světa na jedno staveniště je však jednou z největších logistických a manažerských výzev projektu.

⚖️ Výzvy a kritika

Projekt ITER čelí několika významným výzvám a je předmětem kritiky.

• Technologické překážky: Materiály použité v reaktoru musí odolávat extrémnímu tepelnému a neutronovému zatížení. Stabilita plazmatu a její udržení po dlouhou dobu je stále předmětem intenzivního výzkumu.
• Zpoždění a překročení rozpočtu: Původní odhady nákladů a časové osy byly výrazně překročeny. Složitost projektu, koordinace mezinárodních partnerů a technické potíže vedly k opakovaným revizím harmonogramu a navýšení rozpočtu.
• Environmentální a bezpečnostní aspekty: Ačkoliv je fúze inherentně bezpečnější než jaderné štěpení, projekt bude pracovat s radioaktivním tritiem. Struktura reaktoru se také stane vlivem neutronového bombardování radioaktivní. Likvidace těchto aktivovaných materiálů po skončení životnosti zařízení bude představovat výzvu, i když se jedná o materiály s výrazně kratším poločasem rozpadu než u štěpných reaktorů.

💡 Budoucnost a nástupce (DEMO)

ITER je klíčovým experimentálním krokem, ale sám o sobě není elektrárnou. Pokud bude úspěšný, dalším logickým krokem bude výstavba demonstrační fúzní elektrárny, označované jako DEMO. DEMO by již bylo připojeno k elektrické síti a jeho úkolem by bylo prokázat komerční životaschopnost fúzní energetiky. DEMO by využívalo poznatky a technologie ověřené v ITERu a mělo by být plně soběstačné v produkci vlastního paliva (tritia) z lithia.

🔬 Pro laiky: Co je to fúze?

Jaderná fúze je proces, který pohání Slunce a ostatní hvězdy. Funguje na principu slučování lehkých atomových jader za vzniku těžších jader, přičemž se uvolňuje obrovské množství energie. Je to opak jaderného štěpení, které se používá v současných jaderných elektrárnách a které naopak štěpí těžká jádra (např. uran).

• Palivo: V ITERu se budou slučovat dva izotopy vodíku: deuterium (D) a tritium (T). Deuterium lze snadno získat z vody, zatímco tritium se bude vyrábět z lithia přímo v reaktoru.
• Podmínky: Aby se jádra deuteria a tritia mohla sloučit, musí překonat vzájemné elektrické odpuzování. To vyžaduje extrémní podmínky: teplotu přes 150 milionů °C (desetkrát více než v jádru Slunce) a dostatečný tlak a čas na udržení této horké směsi.
• Produkt: Když se jádro deuteria a tritia sloučí, vznikne jedno jádro helia (neškodný plyn) a jeden vysokoenergetický neutron. Právě energie tohoto neutronu se v budoucí elektrárně přemění na teplo a následně na elektřinu.
• Výhody: Fúzní energie slibuje několik klíčových výhod: prakticky nevyčerpatelné palivo, žádné emise skleníkových plynů, vysoká míra bezpečnosti (nemožnost řetězové reakce a roztavení jádra) a produkce radioaktivního odpadu s mnohem kratším poločasem rozpadu než u štěpných reaktorů.

ITER je tedy pokusem vytvořit "miniaturní Slunce na Zemi" a zkrotit jeho energii pro potřeby lidstva.

Šablona:Aktualizováno