Je sychravé zimní ráno a my brouzdáme uličkami staré Prahy. Proplétáme se mezi davy turistů obdivující krásy novorenesančních budov a mezi studenty, kteří na poslední chvíli pospíchají na přednášky Filozofické fakulty Univerzity Karlovy. Naše kroky vedou jen o několik desítek metrů dál, do budovy Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. Zde se setkáváme s Ing. Vojtěchem Svobodou, CSc., který nás seznámí se zařízením, jež by v historickém centru Prahy hledal jen málokdo – s nejmenším tokamakem na světě, s Golemem. Co vůbec tokamak je, jak funguje a co vše nám velké tokamaky mohou v budoucnu přinést, se dozvíte v následujících řádcích.
Můžete nám popsat základní princip tokamaku?
V současné době vyrábíme převážně elektřinu následujícím způsobem: zahříváme kotel s vodou, vzniká pára, která svým tlakem roztáčí turbínu, a ta vyrábí elektřinu. Pro představu: Praha by spotřebovala každý den k výrobě potřebné elektřiny zhruba jeden vlak uhlí, kdyby byla nucena spolehnout se jen technologie klasických tepelných elektráren. Máme ale ještě jaderné elektrárny pracující na principu štěpení uranu. Touto technologií bychom dokázali pokrýt spotřebu Prahy s jedním vagónem paliva na celý rok. V několika důležitých aspektech (vzácnost paliva, bezpečnost provozu a zpracování jaderného odpadu) je ale nutné tuto metodu vyvinout do takové dokonalosti, aby mohla bezvýhradně sloužit lidským potřebám. A přitom existuje ještě alternativní jaderná technologie, která se inspiruje velmi běžným přírodním principem, pomocí kterého uvolňují energii hvězdy (včetně, samozřejmě, našeho Slunce). Naší ideou je proto pod ten již dříve zmiňovaný kotel s vodou umístit malou hvězdu, a pomocí ní vyrábět elektřinu. Právě o to se snažíme u tokamaku – v pozemských podmínkách vytvořit mikrohvězdu, a tou vyrábět elektřinu po dobu životnosti běžné elektrárny, alespoň 30 let. A to je výzva.
Jak tyto procesy uvnitř hvězdy probíhají?
My víme, že uvnitř hvězd probíhá naprosto unikátní proces, který má kromě jiných dvě důležité funkce: jednak hvězdy obohacují spektrum prvků ve vesmíru o těžké varianty a jednak produkují životadárnou energii. Po velkém třesku byl ve vesmíru jen vodík. Ten se shlukoval a nabíral na sebe další a další hmotu. V momentě, kdy už byl tento shluk příliš velký a vnější slupky tlačily příliš na jeho vnitřek, začal se celý shluk gravitačně hroutit. Během tohoto procesu se uvnitř zvyšoval tlak a teplota na takové hodnoty, kdy částice díky své velké kinetické energii mohou překonat elektrostatické odpuzování kladně nabitých jader vodíku, a takto nastartovat proces fúze (jaderného slučování), během kterého se začnou lehčí prvky v konečném důsledku slučovat na těžší, přičemž se začne dle základních fyzikálních principů s použitím známého Einsteinova vzorce E=mc2 uvolňovat energie.
Jak si máme princip vytvoření „mikrohvězdy“ v pozemských podmínkách představit?
Jednoduše se dá říci, že stačí vzít deuterium a tritium (izotopy vodíku) a zahřát je na teplotu zhruba 100 000 000 °C. Částice takto získávají ohromnou kinetickou energii, s jejíž pomocí překonají elektrostatické síly odpuzování jader atomů, a nastartuje se proces fúze. Dnes není problém zahřívat hmotu na tyto teploty. Vhodně zpracovaná hmota se dá zahřívat elektrickým polem, elektromagnetickou vlnou nebo proudem neutrálních částic. Problémem je, že žádný materiál potenciálního budoucího reaktoru nedokáže udržet hmotu potřebných hustot zahřátou na teplotu 100 000 000 °C na delší dobu, než jsou řádově sekundy – a my potřebujeme dříve zmiňovaných cca 30 let. Reaktorová nádoba budoucí elektrárny proto musí být postavena tak, aby se takto šíleně horká hmota nedotýkala žádného materiálu a v reaktoru nějakým způsobem „levitovala“. K tomuto účelu chceme využívat elektromagnetické síly speciálně nakonfigurované tak, aby v reaktoru toroidální geometrie (jako duše pneumatiky či záchranný kruh) donutily hmotu levitovat v takovém prstencovém tvaru, kdy dochází minimálně k jejímu kontaktu se stěnami nádoby. Následně použijeme jednu z výše zmíněných technik (elektrické pole, elektromagnetické pole či svazek neutrálních částic) k ohřevu hmoty na požadovanou teplotu 100 000 000 °C. Následně se spustí fúze a začne se uvolňovat energie.
Proč by tento zdroj energie byl o tolik lepší než ten, který známe ze současných jaderných elektráren?
Proces jaderné fúze má jako palivo nejběžnější prvek ve vesmíru – vodík. Odpadem samotného procesu by bylo neradioaktivní helium a co se týče bezpečnosti, díky nízkému množství přítomného paliva při samotném procesu může být při závažném selhání technologie poničen samotný reaktor, ale nikdy nemůže dojít k většímu problému globálního charakteru.
Kdy se vůbec s fúzí začalo experimentovat a kdy se do výzkumu zapojila i ČR?
O tom, jaké procesy probíhají v nitru hvězd, víme od počátku dvacátého století. Po válce přišly světové velmoci s vodíkovou bombou, která využívá podobný princip. V padesátých letech začali Sověti pracovat na vývoji velkých tokamaků, jako byly T1, T2 nebo T3. Paralelně s velkými tokamaky byly vyráběné i malé tokamaky označené jako TM1, TM2, TM3. Tokamak TM1 se v roce 1974 dostal do České akademie věd, kde působil jako vrcholové badatelské zařízení v oblasti malých tokamaků pod jménem CASTOR (Czech Academy of Sciences TORus), dokud ho nenahradil v roce 2007 tokamak COMPASS (Compact Assembly), který Česká republika získala z Velké Británie, a CASTOR se přesunul sem k nám na ČVUT, kde dostal jméno Golem.
Proč jméno Golem?
Všichni známe oblíbený film Císařův pekař a pekařův císař. Tam je Golem jako postava, do která byla vtělena jeho tvůrcem Rabi Löwem mocná vesmírná energie na obranu židovské komunity v Praze. Co jiného může být vesmírná energie než fúze, princip, na kterém běží hvězdy produkující základní životní energii pro všechny biologické systémy na naší planetě a velmi pravděpodobně i na všech dalších „živých“ exoplanetách ve vesmíru mimo naši sluneční soustavu. V té pohádce byli známí rádci, kteří chtěli Golemovu energii zneužít pro mocenské účely. Technologii využití fúze v pozemských podmínkách pro vojenské účely už dobře známe: je jí vodíková bomba. Ale aby se pomocí fúze mohl péct chléb jako v té filmové pohádce, to ještě neumíme. A toto zařízení slouží k tomu, abychom zkoumali, jak bude možné v pozemských podmínkách využít fúzi k výrobě energie, která nám pomůže mimo jiné upéct ten chleba (a jak trefně říká jeden můj kolega: „a uvařit pivo“ :-)).
V čem je tokamak Golem tak výjimečný?
Je to bezpochyby nejmenší a nejstarší stále funkční tokamak na světě (viz třeba Wikipedie). Je to také jediné převážně vzdělávací zařízení svého druhu, které funguje ve dvou módech – „hands on“ (experimenty přímo na tokamaku) a remote (experimenty vzdáleným řízením). Během hands on experimentů studenti provádí přímo na tokamaku diagnostické procesy a mohou vytvářet vlastní experimenty. Velmi zajímavé je, že infrastrukturu tohoto zařízení, pocházejícího původně ze Sovětského svazu ze šedesátých let, se nám podařilo při jeho reinstalaci na ČVUT přebudovat a napojit na moderní styl řízení přes současné progresivní informační technologie. Díky tomu je možné řídit a nastavovat výboje na tokamaku Golem přes internetové rozhraní z jakéhokoli počítače, tabletu nebo chytrého telefonu odkudkoli na světě. Tento režim vzdáleného řízení nabízíme i ostatním univerzitám jako ten druhý (remote či vzdálený) přístup. Toho už využila celá řada škol z České republiky, ale i různé univerzity, workshopy, letní či zimní školy fyziky a technologie tokamakového plazmatu z Německa, Francie, Maďarska, Itálie, Portugalska, Bangkoku, Pákistánu, Indie, Austrálie a z řady dalších zemí světa.
V zájmu stručnosti a srozumitelnosti textu jsou některé pojmy vysvětleny stručným způsobem populárně laděnou formou. Zájemci o hlubší vhled do této problematiky jsou zváni buď přímo studovat tuto problematiku na Jaderné fakultě ČVUT, nebo na případnou exkurzi, například v rámci Noci vědců, které se pravidelně tokamak Golem účastní na podzim každého roku.