Wikipedista:Marekdominik.pavelec/Pískoviště

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Joint European Torus[editovat | editovat zdroj]

JET
JET
Poloha JETu na mapě Anglie

Joint European Torus neboli JET je experimentální tokamak s magneticky udržovaným plazmatem, který se nachází v Culhamově centru pro fúzní energii v Oxfordshire, Velké Británii. Toto výzkumné fúzní zařízení je společným evropským projektem, jehož hlavním cílem je otevřít cestu k elektřině z fúzních zdrojů. V současné době je to největší fúzní zařízení[1], než ho překoná aktuálně rozestavěný projekt ITER.

Culhamovo centrum pro fúzní energii

JET byl postaven za účelem výzkumu chování plazmatu za podmínek a rozměrů blížících se reálné fúzní elektrárně. Předpokládalo se, že by se na něm mohlo dosáhnout stavu vědeckého vyrovnání (tzv. scientific breakeven), kdy dodaná energie odpovídá energii uvolněné fúzní reakcí (tj. Q = 1)[2]. Prvního plazmatu bylo dosaženo v roce 1983 a většinu následující dekády se na JETu zvyšoval výkon v dlouhé sérii experimentů a vylepšení. V roce 1991 byly provedeny první experimenty zahrnující tritium, čímž se JET stal prvním reaktorem na světě, který jako palivo používal směs tritia a deuteria. V roce 1997 JET vytvořil světový rekord v produkci 16,1 MW okamžitého fúzního výkonu za použití 24 MW tepelné energie k ohřevu paliva (Q = 0,67)[3].

V letech 2009 až 2011 byla na JET instalována první stěny tokamaku z beryllia a wolframu za účelem testování konfigurace pro projekt ITER, tzv. ITER-like wall. Mezi lety 2019 a 2020 byl JET připravován na novou deuterium-tritium (DT) kampaň[3]. Během ní, v prosinci 2021 padl nový rekord, kdy JET vyprodukoval celkových 59 MJ tepelné energie během pětisekundového pulzu. Průměrný fúzní výkon dosahoval okolo 11 MW. Na druhou polovinu roku 2022 a celý rok 2023 se připravuje poslední experiment a poté se pozornost plně přesune k projektu ITER[4][5].

Historie[editovat | editovat zdroj]

Historický kontext[editovat | editovat zdroj]

Na začátku 60. let 20. století byl výzkum fúze v útlumu. Mnoho původně slibných experimentálních cest nepřinášelo užitečné výsledky, které by slibovaly udržení plazmatu. To se nedařilo kvůli Bohmově difúzi.[6]

V roce 1968 uspořádali Sověti pravidelné setkání fúzních vědců v Novosibirsku, kde představili úspěšná měření ze svých tokamaků T-3 a TM-3. Ty představovaly dramatický skok v oblasti jaderné fúze, neboť se jim na tokamaku T3 podařilo dosáhnout teploty plazmatu 10 milionů stupňů Celsia, desetkrát více než dosavadní maximum. Výsledky byly tak dobré, že jim někteří nevěřili[7]. Navíc, jejich diagnostika plazmatu byla poměrně primitivní, a tak do Sovětského svazu vyrazili specialisté z Culhamovy laboratoře, aby nezávisle překontrolovali měření pomocí svých nových zařízení. Jejich zpráva z roku 1969 potvrdila sovětské výsledky, což způsobilo rozmach technologie tokamaků na Západě[8].

Klíčovým problémem v konstrukcích tokamaků bylo, že ohřev plazmatu elektrickým proudem nedokázal vytvořit podmínky potřebné pro fúzi. Bylo zapotřebí vyvinout nové metody. Jedním ze zařízení, kde se další metody ohřevu vyvíjely, byl Princeton Large Torus (PLT). Na tomto tokamaku vědci dokázali ohřát plazma vstřikováním paprsku neutrálních částic na rekordních 75 milionů K. Dále byl na stejném tokamaku zkoumán i radiofrekvenční ohřev[8].

PLT se k Lawsonově kritériu přiblížilo teplotou plazmatu, ale při velmi nízké hustotě. S tou se podařilo dosáhnout lepších hodnot tokamaku Alcator, ale pouze při teplotě 8 milionů K.

Aniž se naplno rozjela realizace projektu JET, už se vymýšlelo, jaké další experimenty budou realizovány vzápětí a kdy se podaří vyrobit elektrickou energii. Tou dobou se odhadovalo spuštění první demonstrační elektrárny okolo roku 2015[8].

Evropský návrh[editovat | editovat zdroj]

V roce 1971 se členské státy Evropského společenství pro atomovou energii (Euratom) rozhodly spustit rozsáhlý fúzní program a poskytly nezbytný právní rámec pro vývoj evropského fúzního zařízení[9]. V roce 1975 byly dokončeny první koncepční návrhy tokamaku JET. Hlavním prezentovaným cílem tokamaku bylo získání a výzkum plazmatu v podmínkách blížícím se potřebným v reálném reaktoru[10]. Na konci roku 1977 byl vybrán britský Culham jako hostitelské místo pro nový projekt[9]. Financování projektu bylo schváleno 1. dubna 1978[11].

Ilustrace řezu tokamakem JET

Reaktor byl postaven v areálu Culhamova centra pro fúzní energii. Stavbu budovy Torus Hall zahájila společnost Tarmac Construction v roce 1978[12]. Hala byla dokončena v lednu 1982 a stavba samotného tokamaku JET začala okamžitě poté. Náklady činily 198,8 milionů evropských účetních jednotek (EAU, předchůdce eura)[13].

JET dosáhl svého prvního plazmatu dne 25. června 1983, ale oficiálně jeho provoz zahájila až 9. dubna 1984 královna Alžběta II.[11] Dne 9. listopadu 1991 byl na JET proveden první experiment s DT palivem na světě[14]. Tím předčil americký tokamak TFTR o celé dva roky[15].

JET po dokončení v roce 1991

V roce 1999 byla podepsána Evropská dohoda o vývoji fúze (EFDA), kterou spolu podepsaly evropské výzkumné ústavy za účelem spolupráce na výzkumu a společného používání zařízení JET[16]. Tato dohoda byla později nahrazena konsorciem EUROfusion[17].

Úspěchy v roce 1997[editovat | editovat zdroj]

Při DT kampani v roce 1997 padly celkem tři světové rekordy ve výzkumu fúze:

  • V rámci experimentu zaměřeného na "trvalé" udržení fúzní reakce vyprodukovala 22 MJ tepelné energie (průměrně cca. 4,5 MW fúzního výkonu po dobu pěti sekund).
  • Během jiného experimentu tokamak vygeneroval maximální fúzní výkon 16 MW.
  • Při stejném pulsu bylo dosaženo rekordního faktoru zesílení Q = 0,67.[18]

Modernizace[editovat | editovat zdroj]

Přestože byl JET velmi úspěšný, nepodařilo se mu dosáhnout vědeckého vyrovnání. To bylo způsobeno řadou problémů, které nebyly pozorovány u předchozích zařízení pracujících při nižších hustotách a tlacích. Na základě experimentů a řady pokroků v tvarování plazmatu a užití divertoru vznikl nový návrh tokamaku, někdy známý jako „pokročilý tokamak“. Pokročilý tokamak schopný dosáhnout Q = 1 by musel být velmi velký a velmi drahý, což vedlo ke vzniku mezinárodního projektu ITER.

V roce 1991 byly provedeny první experimenty s DT palivem[19]. V této době bylo také rozhodnuto přidat do tokamaku divertor umožňující odstranění odpadního materiálu z plazmatu. Výkon se významně zlepšil, což umožnilo dosáhnout mnoha rekordů z pohledu doby udržení, teploty a trojného součinu. V roce 1997 se JET rekordně přiblížil k vědeckému vyrovnání, když dosáhl Q = 0,67. V okamžiku maximálního fúzního výkonu generoval 16,1 MW a spotřebovával 24 MW na ohřev paliva. Tento rekord zůstal dosud nepřekonán[19].

Na tokamaku JET byl poprvé instalován systém dálkové manipulace, s nímž bylo možné vyměňovat určité komponenty. Systém dálkové manipulace je obecně zásadním nástrojem pro každou budoucí fúzní elektrárnu a také pro připravovaný experimentální reaktor ITER.

Dálkový manipulátor uvnitř vakuové komory

Od října 2009 do května 2011 JET podstoupil 15měsíční odstávku kvůli instalaci první stěny vyrobené z beryllia a wolframu[20]. První experimenty se „stěnou podobnou ITERU“ (ITER-like wall) byly spuštěny 24. srpna 2011[19].

Pohled do vakuové komory JETu s první stěnou z beryllia a wolframu

DT kampaň v roce 2021[editovat | editovat zdroj]

Mezi lety 2019 a 2020 byl JET připravován na nové experimenty udržení fúzního výkonu z fúzní reakce deuteria a tritia (DT reakce)[3], které byly spuštěny již v prosinci roku 2020. V červnu 2021 byla spuštěná plnohodnotná DT kampaň[21]. Byla první kampaní od roku 1997, kdy JET pracoval s palivovou směsí deuteria a tritia. Tyto experimenty byly pro vědce EUROfusion zásadní příležitostí k testování počítačových modelů, nové diagnostiky a technik řízení plazmatu vyvinutých pro ITER.

Nová diagnostika a pokročilé modelování umožnily výzkumníkům EUROfusion měřit experimentální výsledky v intervalech jedné miliontiny sekundy, což poskytlo obrovské množství dat pro další analýzu. To umožní výzkumníkům pochopit chování plazmatu při DT kampani podrobněji, než umožňovaly předchozí experimenty.

Experimentální DT kampaň měla šest hlavních cílů:

  • Demonstrovat fúzní výkon od 10 do 15 MW udržovaný po dobu pěti sekund.
  • Ukázat způsoby vytváření a udržování DT plazmatu v podmínkách blízkých ITERu.
  • Demonstrovat efekt rychlých částic helia z fúzní reakce na chování plazmatu.
  • Objasnit, jak různé hmotnosti izotopů ovlivňují energii a pohyb částic v plazmatu.
  • Studovat interakci mezi horkým plazmatem a první stěnou.
  • Ukázat schémata mikrovlnného ohřevu relevantní pro provoz DT kampaně na ITERu.[18]

21. prosince 2021 vědci více než zdvojnásobili předchozí rekord v celkové tepelné energii vyrobené s použitím DT paliva. JET vyprodukoval celkových 59 MJ tepelné energie během pětisekundového pulzu. Průměrný fúzní výkon byl tentokrát 11 MW.[5]

Poslední výzkum byl také příležitostí k transferu dovedností a odborných znalostí z jedné generace fúzních vědců na další, která je pak využije na projektu ITER.[18]

Podle Joea Milnese, vedoucího provozu JET, se chystá ještě jeden experiment v období od půlky roku 2022 do konce roku 2023, než se definitivně ukončí provoz tohoto tokamaku a pozornost přesune k novějšímu zařízení ITER.[5]

Základní parametry tokamaku[editovat | editovat zdroj]

Porovnání parametrů JET v letech 1997 a 2021 s projekty ITER a DEMO[18]
JET (1997) JET (2021) ITER EU-DEMO
Velký poloměr [m] 2,96[22] 2,96 6,2 9
Malý poloměr [m] 1,25[22] 1,25 2,15 2,9[23]
Objem plazmatu [m3] 83 79 840 2519
Maximální délka pulsu [s] 30 (z toho 5 při na vysokém výkonu) 30 (z toho 5 při na vysokém výkonu) 1000 7200
Magnetické pole [T] 3,45 3,45 5,3 5,9
Fúzní výkon [MW] 16,1[19] 10-15 MW po dobu 5 s 500 po dobu delší než 300 s (cíl) 2000 (z toho 500 elektrického) (cíl)
Výkon ohřevu [MW] 24 40 50 50
Faktor zesílení Q 0,67 po dobu 0,15 s (0,18 po dobu 5 s) 0,25 až 0,375 po dobu 5 s (cíl) 10 (cíl) 40 (cíl)
Vyrábí elektřinu ne ne ne ano

Rozdílné parametry JETu mezi lety1997 a 2021 vycházejí z úprav, kterými tokamak během svého provozu prošel.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. ↑ MCCRACKEN, Garry M. Fúze : energie vesmíru. 2., rozšířené vydání. vyd. Praha: [s.n.] 333 stran s. Dostupné online. ISBN 978-80-200-2986-7, ISBN 80-200-2986-9. OCLC 1130262916 S. 294. 
  2. ↑ Commission of the European Communities. THE JET PROJECT: Design Proposal for the Joint European Torus.. S. 28. op.europa.eu [online]. Publications Office of the European Union, 2008-02-29 [cit. 2021-09-05]. S. 28. Dostupné online. EUR-JET-R5. (anglicky) 
  3. ↑ a b c Culham Centre Fusion Energy. JET: the Joint European Torus [online]. [cit. 2021-09-05]. Dostupné online. (anglicky) 
  4. ↑ Fusion energy record demonstrates powerplant future. GOV.UK [online]. [cit. 2022-06-07]. Dostupné online. (anglicky) 
  5. ↑ a b c CLERY, Daniel. European fusion reactor sets record for sustained energy. Science [online]. American Association for the Advancement of Science (AAAS), 2022-02-09 [cit. 2022-06-06]. Dostupné online. DOI 10.1126/science.ada1098. 
  6. ↑ BROMBERG, Joan Lisa. Fusion : science, politics, and the invention of a new energy source. Cambridge, Mass.: MIT Press xxvi, 344 pages s. Dostupné online. ISBN 0-262-02180-3, ISBN 978-0-262-02180-7. OCLC 8494376 S. 130-131. 
  7. ↑ BROMBERG, Joan Lisa. Fusion : science, politics, and the invention of a new energy source. Cambridge, Mass.: MIT Press xxvi, 344 pages s. Dostupné online. ISBN 0-262-02180-3, ISBN 978-0-262-02180-7. OCLC 8494376 S. 151. 
  8. ↑ a b c KENWARD, Michael. Fusion research - the temperature rises. New Scientist. 1979-05-24, s. 626-630. Dostupné online. 
  9. ↑ a b Brexit brings nuclear (con)fusion. POLITICO [online]. 2017-03-29 [cit. 2022-06-09]. Dostupné online. (anglicky) 
  10. ↑ THE JET PROJECT. Brussels: Commission of the European communities, 1975. Dostupné online. EUR-JET-R7. S. 17. 
  11. ↑ a b JET’s first plasma | EUROfusion. EUROfusion [online]. [cit. 2022-06-09]. Dostupné online. 
  12. ↑ BERRY., Ritchie,. The Story of Tarmac.. [s.l.]: James & James Publishers Ltd Dostupné online. OCLC 933591913 S. 100. 
  13. ↑ You searched for cost - EUROfusion. EUROfusion [online]. EUROfusion [cit. 2022-06-09]. Dostupné online. 
  14. ↑ The DT shots heard 'round the world. ITER [online]. [cit. 2022-06-09]. Dostupné online. (anglicky) 
  15. ↑ Celebrating the 20th anniversary of the tritium shot heard around the world | Princeton Plasma Physics Lab. web.archive.org [online]. 2017-02-16 [cit. 2022-06-09]. Dostupné online. 
  16. ↑ What is EFDA?. web.archive.org [online]. ITER [cit. 2022-06-09]. Dostupné online. 
  17. ↑ The ribbon is cut, the road is open. EUROfusion [online]. 2014-10-09 [cit. 2022-06-09]. Dostupné online. 
  18. ↑ a b c d JET: Background Information – ISTP | CNR [online]. [cit. 2022-06-08]. Dostupné online. (anglicky) 
  19. ↑ a b c d EUROFUSION. JET History. www.euro-fusion.org [online]. [cit. 2022-06-09]. Dostupné online. (anglicky) 
  20. ↑ EUROFUSION. Research at JET. www.euro-fusion.org [online]. [cit. 2022-06-09]. Dostupné online. (anglicky) 
  21. ↑ GIBNEY, Elizabeth. Fuel for world’s largest fusion reactor ITER is set for test run. Nature. 2021-03-04, roč. 591, čís. 7848, s. 15–16. Dostupné online [cit. 2022-06-07]. ISSN 0028-0836. DOI 10.1038/d41586-021-00408-1. (anglicky) 
  22. ↑ a b Commission of the European Communities. THE JET PROJECT: Design Proposal for the Joint European Torus.. S. iv. op.europa.eu [online]. Publications Office of the European Union, 2008-02-29 [cit. 2022/06/08]. S. iv. Dostupné online. (anglicky) 
  23. ↑ FEDERICI, G.; BACHMANN, C.; BARUCCA, L. DEMO design activity in Europe: Progress and updates. Fusion Engineering and Design. 2018-11, roč. 136, s. 729–741. Dostupné online [cit. 2022-06-08]. DOI 10.1016/j.fusengdes.2018.04.001. (anglicky) 

Literatura[editovat | editovat zdroj]

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]


Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Wikipedista:Marekdominik.pavelec/Pískoviště&oldid=21370083“