náhled|Stelarátor HSX (Helically Symmetric Experiment) na University of Wisconsin-Madison náhled|Schéma magnetického pole a neplanárních cívek stelarátoru Wendelstein 7-X Stelarátor je experimentální zařízení sloužící k magnetickému udržení vysokoteplotního plazmatu za účelem realizace řízené jaderné fúze. Koncepci stelarátoru navrhl americký astrofyzik Lyman Spitzer v roce 1951 v rámci tajného projektu Matterhorn na Princetonské univerzitě.

Zatímco příbuzný a v minulosti preferovanější tokamak vytváří potřebné helikální zkroucení magnetických siločar kombinací vnějšího toroidálního pole a silného elektrického proudu indukovaného přímo v samotném plazmatu, stelarátor generuje veškeré uzavřené magnetické plochy výhradně pomocí soustavy vnějších magnetických cívek. Tato zásadní vlastnost propůjčuje stelarátorům vrozenou stabilitu proti nebezpečným plazmovým nestabilitám (tzv. disrupcím), odstraňuje nutnost pulzního transformátorového buzení a umožňuje teoreticky nepřetržitý (stacionární) provoz reaktoru bez rizika náhlého zhroucení výboje. Daní za tuto stabilitu je však prostorově vysoce komplikovaná, neaxiální geometrie magnetického pole a extrémní náročnost konstrukce prostorově tvarovaných (neplanárních) supravodivých cívek.

Největším a nejpokročilejším stelarátorem současnosti je německý Wendelstein 7-X v Greifswaldu, uvedený do provozu v roce 2015.

Princip fungování a srovnání s tokamakem K tomu, aby bylo nabité plazma udrženo v uzavřeném prstenci (toroidu) a neunikalo vlivem gradientního a odstředivého driftu k vnějším stěnám komory, je nutné, aby magnetické siločáry opisovaly šroubovici (helikální trajektorii). Tím dochází ke kompenzaci separace nábojů a vzniku elektrického pole, které by jinak plazma okamžitě vrhlo na stěnu vakuové nádoby.

Tokamak generuje toroidální složku pole vnějšími cívkami a poloidální složku pole indukovaným proudem protékajícím plazmatem (plazma funguje jako sekundární vinutí transformátoru). Protékající proud však způsobuje náchylnost k prudkým disruptivním nestabilitám, omezuje hustotu plazmatu (Greenwaldův limit) a v čistě induktivním režimu předurčuje tokamak k pulznímu provozu. Stelarátor vytváří jak toroidální, tak poloidální složku pole výhradně vnějšími cívkami speciálního tvaru. Plazmatem nemusí protékat žádný čistý toroidální proud. Díky tomu je stelarátor imunní vůči disrupcím způsobeným proudovými nestabilitami, nevyžaduje komplikovaný neindukční ohřev pro udržení proudu a může pracovat v kontinuálním ustáleném stavu (steady-state).

Historie a problém neoklasického transportu První Spitzerovy stelarátory z 50. a 60. let 20. století (Model A, B, C) řešily helikální zkroucení mechanickým zkroucením samotného toroidu do tvaru ležaté číslice 8, případně přidáním pomocných helikálních vinutí na klasický toroid. Tyto rané stroje však vykazovaly katastrofální ztráty energie a částic, které dalece převyšovaly teoretické odhady (tzv. Bohmův drift).

Když v roce 1968 sovětští fyzici na tokamaku T-3 dosáhli teplot plazmatu přes 10 milionů Kelvinů a prokázali řádově lepší udržení, většina světových laboratoří stelarátorový koncept opustila a přeorientovala se na vývoj tokamaků. Výzkum stelarátorů pokračoval pouze na několika pracovištích, zejména v Německu (Ústav fyziky plazmatu Maxe Plancka) a v Japonsku (NIFS).

V 70. a 80. letech 20. století teoretická fyzika odhalila hlavní příčinu selhání raných stelarátorů: tzv. neoklasický transport v režimu nízké srážkovosti. V neosově symetrickém magnetickém poli stelarátoru vznikají lokální magnetická zrcadla, v nichž se částice plazmatu zachycují do specifických trajektorií (tzv. superbanánové dráhy). Tyto částice neopisují uzavřené driftové plochy a driftují nekontrolovaně napříč magnetickými povrchy směrem ven z komory. Tepelné ztráty způsobené tímto jevem rostou se snižující se srážkovostí plazmatu jako $1/\nu$, což při teplotách nutných pro fúzi znamenalo energetický kolaps.

Superpočítačová optimalizace a moderní stelarátory Obrat ve vývoji stelarátorů přinesl až rozvoj superpočítačů a pokročilých optimalizačních algoritmů na přelomu 80. a 90. let, spojený zejména se jmény Jürgena Nührenberga a Allena Boozera. Ukázalo se, že prostorový tvar magnetického pole lze matematicky optimalizovat tak, aby se ztráty způsobené neoklasickým transportem minimalizovaly na úroveň srovnatelnou s tokamaky.

Moderní optimalizované stelarátory se dělí do tří základních tříd: Kvazi-izodynamické (Quasi-isodynamic, QI): Magnetické pole je navrženo tak, aby izobary magnetické indukce ($B = \text{konst.}$) tvořily uzavřené prstence a gradientní drift zachycených částic se v průměru podél jejich siločáry rovnal nule (podmínka omnigeneity). Tím se zcela eliminuje ztrátový $1/\nu$ neoklasický transport a minimalizují se vnitřní proudy v plazmatu (bootstrap proud). Na tomto principu je postaven německý stelarátor Wendelstein 7-X. Kvazi-helikálně symetrické (Quasi-helical, QH): Síla magnetického pole vykazuje symetrii podél helikální trajektorie. Prvním experimentem ověřujícím tuto koncepci byl HSX (Helically Symmetric Experiment) na University of Wisconsin–Madison. Kvazi-osově symetrické (Quasi-axisymmetric, QA): Velikost magnetického pole má symetrii podobnou klasickému tokamaku, avšak pole je generováno výhradně vnějšími cívkami. Touto cestou se vydal projekt NCSX v Princetonu a v současnosti ji rozvíjejí některé komerční společnosti (např. Type One Energy).

Platnost konceptu numerické optimalizace potvrdil v roce 2021 přelomový experiment na stelarátoru Wendelstein 7-X, jehož výsledky publikoval časopis Nature. Měření prokázala, že optimalizovaný tvar magnetického pole skutečně dramaticky potlačil neoklasické tepelné ztráty v horkém plazmatu přesně podle teoretických předpovědí.

Perspektivy komerčního využití a inženýrské výzvy Úspěchy reaktoru Wendelstein 7-X, který v kampaních s chlazeným divertorem dosáhl stabilních výbojů s energetickým obratem přesahujícím 1,3 GJ a rekordních parametrů trojného součinu, vedly k renesanci zájmu o stelarátory v akademické i komerční sféře.

Zatímco mezinárodní megaprojekt ITER ověřuje fúzní reakci na bázi tokamaku, vznikla řada soukromých i výzkumných iniciativ připravujících pilotní fúzní elektrárny na bázi stelarátoru: Stellaris: Mnichovský spin-off Institutu Maxe Plancka, společnost Proxima Fusion, představil ve spolupráci s předními evropskými institucemi detailní inženýrský návrh komerční elektrárny typu kvazi-izodynamického stelarátoru využívajícího vysokoteplotní supravodiče (HTS) na bázi REBCO pásků s magnetickým polem přesahujícím 20 T na cívkách. Infinity Two: Americká společnost Type One Energy rozvíjí koncept kvazi-osově symetrického stelarátoru s vysokým polem ve spolupráci s národními laboratořemi Oak Ridge. Helios: Společnost Thea Energy (spin-off Princetonské laboratoře fyziky plazmatu) navrhuje stelarátor s rovinnými cívkami doplněnými o soustavu drobných individuálně řízených magnetických elementů.

Před realizací komerčních stelarátorových elektráren však zůstává několik zásadních technologických výzev: Výroba a mechanická odolnost cívek: Komplikované trojrozměrné tvary supravodivých cívek vyžadují extrémní výrobní přesnost (v řádu milimetrů na desetimetrových konstrukcích). Při generování magnetických polí o indukci 20 až 25 T dosahuje Lorentzova síla obrovských hodnot – magnetický tlak působící na strukturu cívky dosahuje až 250 MPa (přes 2 400 atmosfér). Odvod tepla v divertoru: V kontinuálním režimu musí speciální komponenty (divertory) odvádět trvalé tepelné toky 10 až 20 MW/m², což vyžaduje pokročilé materiály na bázi wolframu a vysokotlaké vodní chlazení. Tritiová soběstačnost: Komerční fúzní reaktor vyžaduje palivovou směs deuteria a tritia. Vzhledem k nepatrným světovým zásobám tritia musí reaktor toto palivo sám produkovat v lithiové obálce (tzv. blanketu) obklopující komoru pomocí reakcí neutronů s lithiem (množivý poměr TBR > 1,05). Integrace složitě tvarovaného blanketu do stísněného prostoru neosově symetrického stelarátoru představuje jeden z nejobtížnějších úkolů fúzního inženýrství.

Významné existující a historické stelarátory Wendelstein 7-X (Německo, Greifswald) – největší supravodivý optimalizovaný kvazi-izodynamický stelarátor na světě (v provozu od 2015). Wendelstein 7-AS (Německo, Garching) – první stelarátor s modulárními neplanárními cívkami (provoz 1988–2002). LHD (Large Helical Device, Japonsko, Toki) – velký supravodivý heliotron s kontinuálním helikálním vinutím (v provozu od 1998). HSX (Helically Symmetric Experiment, USA, Madison) – první kvazi-helikálně optimalizovaný stelarátor. TJ-II (Španělsko, Madrid) – středně velký heliak využívaný pro studium transportu v plazmatu. Uragan-3M (Ukrajina, Charkov) – torzotron provozovaný v Charkovském fyzikálně-technickém institutu.

Reference

Literatura

Externí odkazy

Wendelstein 7-X na stránkách Ústavu Maxe Plancka pro fyziku plazmatu (anglicky, německy) Čtyřicet tři sekundy nejlepšího plazmatu na světě – rozbor fyzikálních a inženýrských principů stelarátorů (Wendelstein 7-X, Stellaris) v magazínu Kreativum Teletník

Kategorie:Fúzní reaktory Kategorie:Fyzika plazmatu