Plazma v pasci - ITER

Silné magnetické pole, ktoré uzatvára plazmu v reaktore, nie je symetrické, ale má zložitý prstencový tvar (tzv. toroidný tvar). Tento dizajn použitý aj pri JT60 sa nazýva tokamak (z ruského slovného spojenia "тороидальная камера с магнитными катушками", toroidná komora s magnetickými cievkami), ktorý bol navrhnutý a vyvinutý v Sovietskom zväze v 50-tych rokoch. Pohyb častíc plazmy v ňom je značne zložitý. Je veľmi dôležité vytvoriť také magnetické pole vhodného tvaru a intenzity, ktoré zabezpečí pri potrebnej hustote stabilnú plazmu, z ktorej neunikajú prakticky žiadne nabité častice (viete si asi predstaviť, čo by častice plazmy s obrovskou teplotou asi urobili so stenami reaktora). V súčasnosti medzinárodné spoločenstvo vyspelých krajín (EU, Japonsko, Rusko, USA, Južná Kórea, India a Čína) buduje za približne 10 miliárd EUR najväčší a najsľubnejší fúzny reaktor v rámci projektu ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) v Cadarache vo Francúzsku. Výstavba by mala byť dokončená v roku 2018 a ďalšie dve dekády bude prevádzkovaný, kým sa očakáva zdokonalenie technológie umožňujúce komerčné využitie. Výkon budovaného reaktora má byť cca 500 MW, ktorý bude cca 4 až 5 krát vyšší ako energia vložená do reaktora na zahriatie a udržanie plazmy, a bude generovaný v doposiaľ najväčšej skonštruovanej plazmatickej komore o objeme 840 m³ počas reakcií trvajúcich približne 1000 sekúnd.  

Hlavným zdrojom energie z reaktora sú vysokoenergetické neutróny, ktoré sú mimo nádoby s plazmou (z ktorej ľahko unikajú, keďže sú neutrálne) spomaľované, a ich energia je transformovaná na tepelnú energiu primárneho chladiva. ITER túto energiu nebude ďalej premieňať na energiu elektrickú, keďže to už je dobre známy a technicky veľmi dobre preverený proces.

Nádoba/telo reaktora bude vyrobená (kým sa odskúšajú vhodnejšie materiály v spomínanom IFMIF) z nehrdzavejúcej ocele obohatenej o uhlík, bude mať výšku 11.3 m, vonkajší priemer 19.4 m, a bude vážiť spolu s kompletným vybavením naozaj úctyhodných päťtisícstošestnásť ton. Supravodivé magnety vytvárajúce extrémne silné magnetické pole (až 13.5 Tesla) budú vyrobené zo zliatiny nióbu a cínu. Jednoducho - bude to zariadenie na hranici ľudských možností, na hranici nášho ovládania prírody, a - ak bude úspešné - znamenajúce prelom do novej éry.

Obrázok 7a: Fúzny reaktor ITER. Pre porovnanie veľkosti si všimnite postavu človeka v spodnej časti obrázku.
Zdroj: ITER

Obrázok 7b: Výroba nádoby reaktora. Uväzniť a kontrolovať proces prebiehajúci v Slnku nebude žiadna maličkosť.
Zdroj: ITER

 

 

 

Obrázok 7c: Letecký pohľad na miesto, kde bude stáť ITER. Ťažká technika sa už zahryzla do prípravy terénu.
Zdroj: ITER.

Pre komplexnú informáciu je potrebné ešte uviesť, že okrem tokamaku existujú aj iné koncepty či dizajny, tie sú však menej preskúmané a v menej rozvinutom technologickom štádiu. Na druhej strane časť vedcov sa prikláňa k názoru, že by mohli viesť k rýchlejším a reálnejším výsledkom (spomeňme napr. projekt HiPER využívajúci na vzplanutie a fúziu plazmy laserovú technológiu, alebo Wendelstein 7-X využívajúci koncept tzv. stellaratoru, kde je plazma udržiavaná len elektrickým prúdom prebiehajúcim mimo plazmy). V každom prípade to však znamená, že aj keď je ITER (tokamak) najsľubnejším konceptom, v prípade jeho zlyhania (nebolo by to zďaleka prvý ani posledný krát v histórii vedy a techniky) má ľudstvo ešte ďalšie želiezka v ohni, ktoré nám pomôžu spútať zdroj energie Slnka.

 

Obrázok 8: Wendelstein 7-X ako jeden z najperspektívnejších alternatívnych projektov jadrovej fúzie sa rozhodne na nedostatok futurickosti vo svojom dizajne sťažovať nemôže. Dokončený by mal byť v roku 2014, teda ešte skôr ako ITER.  Jeho netradičný, akoby pokrivený dizajn vyplýva z faktu, že nezohrieva a neudržuje plazmu elektrickým prúdom prechádzajúcim cez samotnú plazmu (ak je to v prípade tokamaku), ale prúdom v okolí plazmy. Tento koncept sa nazýva stellarator, a napriek niektorým výhodám oproti tokamakom (napr. stabilnejšia plazma) trpí inými neduhmi, ktoré ho zatiaľ pre väčšinu vedcov odsúvajú na druhú koľaj v oblasti výskumu fúzie (práve jeho tvar spôsobuje komplikácie napr. s výrobou magnetov, s využitím magnetického poľa na viazanie plazmy ale aj s extrakciou energie z fúznej reakcie).
Zdroj: Institute of Physics.

Plazma v počítači

A práve na zistenie komplikovaných trajektórií (dráh) častíc plazmy slúži kód ISDEP, ktorú vyvinuli vedci z Institute for Biocomputation and Physics of Complex Systems Univerzity v Zaragoze, National Fusion Laboratory (Národné laboratórium pre fúziu) ako súčasti CIEMAT (Výskumného centra pre energiu, prostredie a technológie) a Complutense University v Madride. Jedná sa o viacčlenné tímy pracovísk na svetovej úrovni participujúcich na špičkových fúznych projektoch ako TJ-II, European JET Tokamak, a v súčasnosti na ITERi. Španielsko má vo výskume fúzie solídnu pozíciu, čo v roku 2002 viedlo napr. aj k ponuke lokality na budovanie samotného ITERu, aj keď Európska únia nakoniec z dôvodu netrieštenia síl v konkurencii s Japonskom uprednostnila lokalitu vo Francúzsku (súboj o umiestnenie ITERu medzi Japonskom a EU bol značne napätý).

Kód ISDEP (Integrator of Stochastic Differencial Equations for Plasma) teda uskutočňuje simulácie pohybu častíc v plazme reaktora. Je to výpočtovo veľmi náročná úloha, pretože je potrebné riešiť veľmi zložité sady 5 rozmerných diferenciálnych rovníc, konkrétne tzv. Fokker-Planckovu rovnicu, ktorej logická krása z pohľadu vedca konkuruje kráse einsteinových rovníc teórie relativity (a má spojitosť aj so známou Schrödingerovou rovnicou v kvantovej mechanike). V prípade horúcej plazmy sa rovnice ukazujú v plnej svojej sile a akoby s potešením na vedcov hádžu bremeno ich riešenia, ktoré sa prejavuje v enormných nárokoch na výpočtový výkon. Nie nedokonalosťou algoritmu, ale náročnosťou prírodného javu prebiehajúceho v plazme, ktorého popis vyžaduje využiť bez zjednodušení plný potenciál ľudskej mysle a jej mocného nástroja - matematiky.  Vývoj ISDEPu je súčasťou dlhodobého úsilia o čo najrealistickejší popis pohybu a správania sa plazmy vo fúznom reaktore, pričom už aj v rámci projektu Ibercivis priniesol niektoré zaujímavé výsledky. Jeho výhodou oproti iným prístupom je práve absencia priblížení a teda realistickejší popis situácie v reaktore, a rovnako aj skutočnosť, že kód je možné aplikovať nielen na koncept tokamaku, ale aj stellaratoru. Kód je výnimočný ešte v jednom dôležitom ohľade - umožňuje totiž ktorémukoľvek človeku na svete zapojiť sa do tohto výskumu. 

Fúzny reaktor u vás v obývačke

Kód bol totiž dizajnovaný a vyvinutý pre distribuované výpočty (umožňuje paralelné počítanie dráh jednotlivých častíc v plazme) a je použitý momentálne v dvoch projektoch v rámci tzv. platformy BOINC - Ibercivis (od apríla 2007) a EDGeS (od konca roku 2009). Ak ste o BOINC ešte nepočuli, odporúčame krátku flashovú prezentáciu a takisto stránky BOINC v slovenskom, anglickom alebo českom jazyku. V stručnosti len uveďme, že BOINC je platforma umožňujúca zapojenie sa bežných ľudí do špičkového vedeckého výskumu častokrát na hraniciach ľudského poznania, a to prostredníctvom svojich počítačov, ktoré spracovávajú centrálnym serverom.distribuované dáta. Výsledky z jednotlivých obyčajných PC sú následne zhromažďované a analyzované vedcami, pričom BOINC ako celok takto ponúka ohromný výpočtový výkon - už viac ako 4 tisíc TeraFLOPs, čím prekonáva aj najvýkonnejší superpočítač súčasnosti (Jaguar Cray XT-5, ktorý ponúka "iba" 1760 TeraFLOPs). Fúzia je len jedným zo vzrušujúcich projektov, do ktorých sa môžete zapojiť, existujú ďalšie projekty v mnohých iných oblastiach (spomeňme len hľadanie gravitačných vĺn predpovedaných Albertom Einsteinom, modelovanie našej Galaxie či hľadanie liekov proti rakovine a iným chorobám).

Spomínaný Ibercivis je španielskym projektom, pod ktorým okrem fúzie bežia viaceré ďalšie aplikácie, a z administratívneho hľadiska ho zastrešuje španielske Ministerstvo vedy a inovácií prostredníctvom Rady pre vedecký výskum (CSIC). Podobne aj EDGeS slúži ako projekt hosťujúci viacero vedecko-výskumných aplikácii (tzv. wrapper), jednou z nich je práve Fusion ITER založená na spomínanom kóde ISDEP. Dôvodom skutočnosti, že kód využívajú aplikácie dvoch projektov, je ich nedávno (koniec roku 2009) ohlásená vzájomná spolupráca. EDGeS je zatiaľ (február 2010) v beta fáze a ponúka testovacie pracovné jednotky, zatiaľ čo Ibercivis je v plnej prevádzke a spracovávajú sa v ňom reálne dáta. Keďže však na rozdiel od väčšiny iných fyzikálnych projektov nespracováva experimentálne dáta, neponúka pracovné jednotky pre fúziu nepretržite. Je teda vhodné nezúčastňovať sa len tohto jedného projektu, ale aj niektorých ďalších z pestrej ponuky, ktorú ponúka BOINC (či už astronomických, fyzikálnych, alebo biologických/medicínskych projektov), aby v prípade momentálneho nedostatku práce pre fúziu váš počítač nezaháľal. Plány ďalšej spolupráce medzi Ibercivis a EDGeS a kroky z nej vyplývajúce budú ohlásené v blízkej budúcnosti.

Vývoj ITER aplikácie a spracovanie jej výsledkov je, ako sme si uviedli, uskutočňovaný na vedecko-výskumných a univerzitných pracoviskách, ktoré sú financované z verejných zdrojov, nie sú súkromné, a teda výsledky výskumu musia pravidelne prezentovať a musia byť prístupné širokej vedeckej verejnosti nie za účelom komerčného zisku či profitu. To je zárukou, že výsledky, ktoré prostredníctvom našich PC odovzdáme, sa využijú na verejné nekomerčné účely, v súlade s tým, že aj ITER samotný je medzinárodný vedecko-výskumný projekt s verejným financovaním a nekomerčným využitím v prospech ľudstva. Spustenie fúznej aplikácie v projekte Ibercivis bolo vo februári 2009 oznámené aj na oficiálnej stránke projektu ITER.

Systémové požiadavky aplikácie (operačný systém, nároky na RAM apod.) nájdete na tejto a tejto stránke (upozorňujeme predovšetkým na nároky na RAM, v súčasnosti jedna pracovná jednotka potrebuje cca 400 MB, čiže napr. na štvorjadrovom procesore bude potrebných 1.6 GB RAM).

Obrázok 9a: Dráha častice plazmy uväznenej v magnetickom poli, vypočítaná pomocou kódu ISDEP.
Kredit: ibercivis.es

Obrázok 9b: Simulovaná plazma v nádobe reaktora.
Kredit: ibercivis.es

 

 

 

Obrázok 9c: Dráha častíc plazmy v modeli fúzneho reaktora.
Kredit: ibercivis.es

Doba fúzna

Komerčne využiteľné mierové ovládnutie fúzie človekom by malo nesmierne dôsledky pre ľudstvo a jeho budúcnosť. Ako je asi už z doteraz uvedených informácií zrejmé, nejedná sa totiž len o vylepšenie súčasných možností, ale o úplne nový koncept produkcie energie. Ponúka takmer nelimitované množstvo veľmi ľahko dostupného paliva - na základe serióznych výpočtov by pri dnešnej nezmenenej produkcii energie ľudstvom známe zásoby lítia na Zemi (vrátane oceánov) vystačili pre fúziu 60 miliónov rokov, a deutérium dokonca až na 150 miliárd rokov (to je desaťkrát viac ako je vek vesmíru). Aký je to kontrast hoci aj so štiepnymi reaktormi, kde nám známe zásoby uránu vystačia niekoľko desaťročí, maximálne storočí pri starších typoch reaktorov, a zhruba tritisíc rokov pri použití tzv. množivých reaktorov (ktoré sú už úspešne v prevádzke a budujú sa ďalšie). Množstvo paliva pre fúziu teda spolu s minimom rádioaktívneho odpadu s veľmi priaznivou dobou rozpadu a ľahkou skladovateľnosťou, žiadnou produkciou CO₂ ani iných skleníkových plynov, bezpečnosťou reaktora z dôvodu fyzikálnej nemožnosti závažnej havárie, predstavuje cestu vyriešenia energetickej krízy ľudstva. Nenadarmo slovo ITER znamená v latinčine - cesta. A to sme ešte nespomenuli zásoby deutéria na Jupiteri a plynných planétach, kde by ich ľudstvo malo byť schopné v budúcnosti čerpať - z dlhodobého hľadiska je teda fúzia nielen zdrojom energie hviezd, ale aj civilizácie schopnej rozšíriť sa po Galaxii (existujú samozrejme aj koncepty fúzneho pohonu).

Ale vráťme sa bližšie na Zem a späť do súčasnosti - energia je teda kľúčom k pokroku ľudstva. Dostatok energie otvára dvere novým výdobytkom techniky a možnostiam, ktoré by boli bez nej nemysliteľné. Ako príklad uveďme rodiacu sa technológiu ekologických palivových článkov (fuel cells), ktoré využívajú ako palivo vodík a dajú sa použiť napr. na pohon automobilov. Veľa ľudí si neuvedomuje, že táto technológia sama o sebe nepredstavuje žiadnu ekologickú alternatívu k spaľovacím motorom, a to aj napriek tomu, že spaľovanie vodíka neprodukuje žiadne skleníkové plyny ani exhaláty. Vodík do týchto motorov je totiž potrebné najskôr vyrobiť - a na to je potrebné veľké množstvo energie. Keby sa teda v súčasnosti masovo rozšírili palivové články, znamenalo by to len presunutie ekologickej záťaže z miest spotreby (čiže miest s intenzívnou dopravou) na miesta produkcie (čiže elektrárne produkujúce energiu na získanie vodíka). To nerieši ekologickú rovnováhu Zeme. Práve energia z jadrovej fúzie ako zdroja plne ovládateľného človekom (v zmysle nezávislosti od poveternostných podmienok, oblačnosti apod.) by v súčinnosti napr. so spomínanou technológiou palivových článkov a samozrejme aj s obnoviteľnými zdrojmi energie (vodná, solárna, veterná...) predstavovala efektívny a ekologický systém, kde by bol dostatok energie ekologicky a dostatočne flexibilne produkovaný, a ekologicky distribuovaný na miesta lokálnej spotreby (keďže napr. motory áut samozrejme nemôžu byť malými fúznymi reaktormi).

Zvládnuť ekologické technológie distribúcie energie je však podstatne menej náročné, ako práve samotnú produkciu. Preto je veľmi potešujúce, že existuje snaha ľudstva v podobe projektu ITER, a z hľadiska nás bežných ľudí to, že sa na tomto vzrušujúcom dobrodružstve historického významu môžeme prostredníctvom platformy BOINC zúčastniť a pomôcť tak posunúť ľudstvo do novej éry, ktorá by sa dala smelo nazvať dobou fúznou. 

Autor: Juraj Kotulič Bunta, Ph.D.

Jadrový fyzik, v rokoch 2004-2006 pracoval v JAEA (Japan Atomic Energy Agency, Tokaimura).

Ak vás téma zaujala, ako stručný výber odkazov z článku odporúčam nasledovné študijné materiály či stránky na podrobnejšie či doplňujúce informácie:

1. Energetická budúcnosť ľudstva verzus fúzia (vedecký článok vrátane hodnotných odkazov v ňom, anglicky)
2. ITER homepage (ITER v 5 minútach)
3. Produkcia energie z fúzie
4. Fyzika jadrovej fúzie
5. ISDEP simulácia plazmy
6. Ako sa zapojiť: BOINC krátka flash prezentácia, BOINC prehľadné stránky slovensky, česky, a anglicky. V prípade nejasností či otázok je k dispozícii aktívne fórum.