HELCZA testuje materiál pro fúzní reaktor ITER

Vnější pohled na komplex, ve kterém je umístěno zařízení HELCZA Vnější pohled na komplex, ve kterém je umístěno zařízení HELCZA

Začátkem února byly oznámeny rekordní výsledky půlroční série experimentů s fúzním palivem a ohřevem plazmatu, která proběhla na tokamaku JET v britském Culhamu. Během úspěšných zkoušek se potvrdila přesnost modelů a stabilita plazmatu a dařilo se dosahovat předpokládaných parametrů fúzní reakce. Tyto výsledky jsou velmi slibné také pro budoucí fungování mezinárodního fúzního reaktoru ITER budovaného ve Francii. Projekt ITER (International Thermonuclear European Reactor, latinsky iter – cesta) je jedním z nejambicióznějších světových projektů – má dokázat, že jaderná fúze je budoucností energetiky. S rozpočtem přes 20 miliard EUR je ITER druhým nejdražším mezinárodním vědeckým projektem, prvenství drží s odhadovanou cenou 150 miliard USD Mezinárodní vesmírná stanice.

Tuzemskou základnou aplikovaného jaderného výzkumu je bezpochyby výzkumný areál v Řeži. Vysoká odborná úroveň zdejších jaderných fyziků a inženýrů je přirozenou kvalifikací také k účasti na fúzním výzkumu. Centrum výzkumu Řež (CVŘ) disponuje kromě špičkových odborníků rovněž výjimečnou experimentální infrastrukturou, kterou významným způsobem rozšířil nedávno dokončený projekt Udržitelná energetika – SUSEN. Jednou z největších technologických investic projektu SUSEN se stalo vybudování světově unikátního experimentálního zařízení pro cyklické zatěžování fúzních materiálů a konstrukčních komponent velmi vysokým tepelným tokem. Komplex, který je postaven na pracovišti CVŘ v Plzni, dostal jméno HELCZA (High Energy Load Czech Assembly) a jeho primárním účelem je testování takzvaných panelů první stěny termojaderného reaktoru. Tedy panelů, které zprostředkují přenos tepla z plazmatu o teplotě až 150 milionů °C do chladicího média a jsou určené pro experimentální fúzní reaktor ITER.

Zařízení HELCZA vytváří za pomoci elektronového děla svazek urychlených elektronů, který tepelně namáhá testovaný vzorek. Maximální výkon zařízení činí 800 kW, při maximálním urychlovacím napětí 55 kV dosahuje proud elektronů hodnoty přes 14 A. Velikost povrchu, který lze v zařízení HELCZA testovat, přesahuje 4 m2.

Evropská unie zodpovídá prostřednictvím organizace Fusion for Energy (F4E) za dodávku 215 panelů první stěny – to je zhruba polovina z celkového počtu panelů, které budou v ITER instalovány. Jde o konstrukčně i materiálově velmi složitou komponentu, proto je nutné nejprve otestovat prototypy a na základě výsledků pak vybrat nejvhodnějšího výrobce „ostrých“ panelů. Testy prověřují především integritu panelu a jeho odolnost vůči extrémním tepelným tokům až 20 MW/m2, což je hodnota, která odpovídá skutečným podmínkám v reaktoru ITER. Pro představu je to energie zhruba odpovídající celkovému elektrickému příkonu menšího okresního města, ale soustředěná na plochu pouhého jednoho metru čtverečního. Zařízení HELCZA vyvinuté v Centru výzkumu Řež je unikátní v tom, že dokáže simulovat právě takové podmínky. Na světě stojí několik podobných zařízení, ale pouze HELCZA disponuje nejen koresponduje se skutečnými podmínkami, ale též dostatečnými rozměry testovací nádoby pro umístění celého panelu první stěny ITER, který má rozměry cca 1 × 1,5 metru a váží bezmála 1,5 tuny.

V březnu 2021 na základě výsledků všech požadovaných předprovozních testů schválila F4E takzvaný Commissioning Final Report; to je nutnou podmínkou pro možnost testování nejen prototypů, ale i ostrých panelů, které budou v ITER instalovány. Aktuálně je HELCZA v rutinním provozu a jsou zde prověřovány další prototypy panelů pro fúzní reaktor.

Na zařízení HELCZA lze nejen testovat tepelnou odolnost a chladicí schopnosti různých komponent, ale také například provádět výzkum materiálů a fyzikálních jevů během namáhání vysokým tepelným tokem. Z tohoto pohledu není HELCZA určena pouze pro oblast fúzních technologií, ale může být využita i v jiných oborech, jako třeba v letectví a kosmonautice. Navíc, vzhledem k tomu, že technologický komplex HELCZA sestává z několika vzájemně propojených laboratoří navržených pro práci s nebezpečnými látkami, má i potenciál k využití v oblasti BOZP a ochrany životního prostředí.

Centrum výzkumu Řež, Skupina ÚJV


Zdroje:

  • Jan Prokůpek: HELCZA – důležitý krok za kýženým cílem dosažení generování elektrické energie termojadernou fúzí, Speciál Jaderná energie/Jadrová energia, září 2020
  • Daneš Burket: Zařízení HELCZA v plném provozu, Jaderná energie/Jadrová energia 1/22
  • https://ccfe.ukaea.uk/fusion-energy-record-demonstrates-powerplant-future/
  • https://otechnice.cz/jaderny-fuzni-reaktor-jet-prekonal-dosavadni-rekord/
  • https://www.helcza.cz/