Úterý, 29 září
Shadow

Jak uchladit hvězdu v krabici?

Jedním ze zásadních technických problémů, které je třeba vyřešit v souvislosti s provozem velkých experimentálních fúzních reaktorů a hlavně budoucích energetických bloků, je chlazení pláště fúzního reaktoru (a případně navazující tepelný cyklus elektrárny). Možná se to nezdá, ale vnitřní stěna fúzního reaktoru ITER bude vystavena vůbec největším tepelným tokům, kterým kdy byl jakýkoliv lidmi vyrobený povrch řízeně vystaven. Materiály nejblíže plazmatu musí být kvůli svým konstrukčním a provozním vlastnostem udržovány na teplotě přibližně 240°C, zatímco nedaleké plazma bude mít teplotu 150 000 000 stupňů. Připomeňme ale, že plasma má zhruba o pět řádů nižší hustotu částic než vzduch kolem nás a ještě o dalších několik řádů nižší než přilehlé komponenty z odolných materiálů. Teplota je tedy velmi vysoká, ale tepelná energie zase tak extrémních hodnot nedosahuje. Nabité částice jsou navíc dobře drženy magnetickým polem (což je ostatně princip tokamaku), takže z objemu za normálních podmínek budou utíkat především rychlé fúzní neutrony (a samozřejmě elektromagnetické záření v celém spektrálním oboru). Přesně to chceme, tyto neutrony deponují energii ve stínění na vzdálenosti zhruba jednoho metru. Takový plášť lze poměrně dobře chladit a teplo transformovat na kýženou elektrickou energii. Bohužel, plazma je nestabilní a těžko uchopitelná entita, takže tento běžný provoz není zdaleka to jediné, co můžeme v této fázi vývoje reaktoru očekávat. A zajistit chlazení při událostech, kdy se většina energie plazmatu deponuje na poměrně malém místě stěny, to už chce pořádně promyšlený chladicí systém.

cooling_1
Schéma chlazení reaktoru ITER s novým typem chladicích věží a kontrolními nádržemi.

Základní úroveň chlazení experimentálního reaktoru ITER bude, jak jinak, zajišťovat voda. Co všechno bude potřeba chladit? Kromě samotné vakuové nádoby a přilehlých komponent bude chlazení vyžadovat systém radiofrekvenčního ohřevu a neinduktivního vlečení proudu, kryogenní systém supravodivých magnetů a rychlého vymrazovacího čerpání (zde bude voda samozřejmě jen první ze tří stupňů, následuje kapalný dusík a hélium), v neposlední řadě potom i systém generátorů a přívodů elektrické energie k cívkám (kabely s vnitřním vodním chlazením). Celý systém bude sestávat z několika uzavřených okruhů, které budou napojeny na otevřený Systém odebírání tepla (HRS). Například teplo vzniklé při reakci deuteria a tritia bude odváděno chladicím systémem tokamaku (TCWS) a přes střední cyklus chlazení komponent (CCWS) bude předáno zmíněnému HRS, ve kterém se teplo prostřednictvím chladících věží uvolní do okolního prostředí.

Tokamak ITER a všechny pomocné systémy budou během běžného výboje produkovat zhruba 500 MW tepelného výkonu, v maximu fúzního hoření potom až 1100 MW a veškerý tento výkon se bude muset uvolnit do okolního prostředí. Možná si řeknete, že by už stálo za to vybavit tak velký zdroj tepla systémem výroby elektrické energie, ovšem vzhledem k experimentální povaze zařízení, pulznímu provozu, častým odstávkám pro instalaci testovacích modulů, diagnostiky a především kvůli nedostatečným parametrům chladicí vody, by to byla nejspíš zbytečná investice s minimální návratností. V rámci pozdějších testů ale není vyloučeno doplnění nějakého testovacího systému, zvlášť pokud se probudí zájem tradičních elektrárenských firem. Následující stupeň fúzního výzkumu – reaktor DEMO – by už měl být vybaven plnohodnotným tepelným cyklem a generátorem elektrické energie.

Chladicí systém reaktoru ITER bude používat speciálně navržené chladicí věže. Protože se v každém cyklu vypaří velké množství vody a mohlo by docházet k usazování minerálů, velká část vody se vypustí a bude nahrazena vodou z nedalekého Canal du Provence. Ovšem voda z cyklu, která se bude vypouštět do přírody, projde řadou kontrolních nádrží. V jedné z nich se bude testovat teplota (maximálně 30°C),  v dalších pH, přítomnost uhlovodíků, sulfátů, chloridů a především tritia, jediného radioaktivního prvku, který se bude v areálu ITER nacházet (nepočítáme-li aktivaci materiálu). Jen voda, která projde všemi stupni kontroly, dospěje do řeky Durance.

Během provozu bude celkový průtok chladicím systémem činit 33 metrů krychlových za vteřinu, největší trubky systému budou mít průměr 1,6 m.

Ovšem jak budou vypadat chladící okruhy skutečného energetického reaktoru? Odpověď má najít právě  ITER.  Ten bude mít totiž v jedné části svého pláště díru, do které se budou zasouvat moduly různých typů blanketu navrhovaných pro použití v reaktoru DEMO. Úkolem tohoto blanketu bude právě účinné chlazení a také plození tritia (prvku nutného pro fúzní reakci, který se v přírodě nenachází, ale lze dobře vyrobit transmutací lithia) pro další fúzní reakce. Tato metoda výroby tritia by měla ohromné ekonomické a hlavně bezpečnostní výhody (tritium by se množilo díky fúzním neutronům a reaktor by tak zásobil sám sebe dalším palivem, tento potenciálně nebezpečný materiál by se nemusel nikam vozit). V zásadě existují tři typy chlazení těchto testovacích modulů – vodou, héliem a eutektickou směsí tekutého kovu právě s obsahem lithia. Vybranému blanketu se bude muset přizpůsobit konstrukční materiál a také tepelný cyklus. Každé chladící médium i konstrukce mají své výhody a nevýhody a v rámci testovacího programu se musí najít kompromis. Jisté je, že požadavky na přenos tepla budou extrémní a průtoková rychlost chladícího média velmi vysoká.

Z hlediska elektrárny by bylo nejvýhodnější použít dvojitý paroplynový cyklus. V prvním cyklu by vysokoteplotní hélium pohánělo plynovou turbínu (Braytonův cyklus, podobný principu turboreaktivních leteckých motorů) a poté by předalo zbylou tepelnou energii parnímu cyklu s další turbínou. S použitím různých vyspělých technických řešení by se účinnost tohoto cyklu mohla dostat na nevídaných 50%. Zatím se obdoba tohoto cyklu používá jen v elektrárnách na zemní plyn. Ovšem je to jedna z větví vývoje štěpných reaktorů IV. generace. Širší využití jinde by aplikaci ve fúzním výzkumu určitě pomohlo. Zdaleka není vyloučeno ani použití nejobvyklejšího Rankin-Clausiova tepelného cyklu, známého i z českých elektráren. Ve fúzním reaktoru možná bude použita superkritická voda, ta má ovšem nevýhodu – jedná se o extrémně korozivní prostředí.

Ať už to dopadne jakkoliv, v otázce tepelného cyklu si fúze může mimořádně dovolit využít již existujících řešení nebo se přiživit na vývoji v jiné oblasti energetiky. Samotný odvod tepla z tokamaku a pomocných systémů ale zůstane obtížným úkolem spočívajícím pouze na bedrech inženýrů fúzního výzkumu.

 

1 Comment

  • Pro výzkum je navržený způsob chlazení ITERu asi vyhovující. Pro energetické využití bude potřebné zajistit pulzní systém zařízení a transport plazmy do rekuperační zóny, což bude technicky rovněž náročné. Přeji hodně úspěchů!

    V.V. Inovátor

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..