AZoCleantech vede rozhovor s Dr. Joe Milnesem, vedoucím provozu JET, UK Atomic Energy Authority (UKAEA), o rekordním experimentu jeho týmu, který pomáhá urychlit budoucnost neomezené, čisté energie.
Co je to Společná evropská laboratoř Torus (JET) a jaký klíčový výzkum se v ní provádí?
JET je největší a nejvýkonnější operační stroj na tokamak na světě a je provozován společností UK Atomic Energetický úřad (UKAEA) v Oxfordu. Je ústředním bodem evropského programu výzkumu fúze EUROfusion a je v současnosti jediným tokamakem schopným využívat deuterium a tritium – paliva, která budou použita v prvních komerčních fúzních elektrárnách.
JET je jedním z nejdůležitějších strojů v historii výzkumu energie z jaderné syntézy. Jsme nesmírně hrdí na to, že jsme jej provozovali zde v Oxfordu jménem konsorcia EUROfusion během posledních čtyř desetiletí. Jeho dlouhověkost a úspěchy nám umožnily prolomit mnoho překážek na našem poslání přeměnit tento konečný vědecký experiment v udržitelnou komerční sílu.
Interiér JET se superponovanou plazmou. Obrazový kredit: UKAEA/EUROfusion
JET je důkazem vynalézavosti původního konstrukčního týmu a vědeckých a provozních týmů, které stroj tolikrát modernizovaly a vylepšovaly, aby zajistily, že bude i po čtyřech desetiletích provozu stále nejpřednějším zařízením na světě.
Puls a historie JET 100K. Kredit videa: UKAEA/EUROfusion
Jaká technologie se v současné době v zařízení používá?
Fuzní paliva – deuterium a tritium, dva izotopy vodíku – jsou vstřikována do vakuové nádoby. Palivo se zahřeje na přibližně 150 milionů stupňů Celsia a změní se z plynu na plazmu.
K ovládání plazmy se používá vakuová nádoba ve tvaru prstence, která ji drží mimo stěny komory pomocí silných magnetů. Plazmové výfukové systémy odstraňují z komory helium produkované fúzí a více než 100 diagnostických systémů monitoruje klíčové vlastnosti, včetně hustoty plazmy, teploty, nečistot a mnoha dalších.
Hala JET Torus. Obrazový kredit: UKAEA/EUROfusion
Vytápěcí systémy zahrnují použití centrální cívky solenoidu k pohonu elektrických proudů v plazmě až do 4 milionů ampér, stejně jako vysokoenergetických částicových paprsků a rádiových vln, které zajišťují pomocné vytápění plazmy. K dosažení tohoto všeho jsou zapotřebí nejmodernější technologie ve vakuových systémech, přenosu tepla, kryogenice, robotice, laserech, řízení, vysokovýkonných výpočtech a mnoha dalších.
Tyto milníky jsou důkazem toho, že převratný výzkum a inovace, které se zde ve Spojeném království provádějí s našimi partnery v celé Evropě, činí energii z jaderné syntézy realitou.
Můžete vysvětlit, co je to fúze a jak jste zahájili svůj výzkum?
Energie z jaderné syntézy je zásadní pro řešení změny klimatu prostřednictvím bezpečných, udržitelných, účinných a nízkouhlíkových dodávek energie. Má potenciál dodávat zelenou energii pro další generace.
Image Credit: UKAEA/EUROfusion
Fúze se odehrává v srdci hvězd, jako je naše slunce, a poskytuje sílu, která pohání vesmír. K obnovení tohoto procesu na Zemi používáme kombinaci plynů vodíku, deuteria a tritia, které se zahřívají na velmi vysoké teploty, aby se vytvořilo plazma (toto je „nejjednodušší“ fúzní reakce, kterou lze dosáhnout). Energie se uvolňuje, když se atomy deuteria a tritia spojí dohromady a vytvoří atom helia a neutron.
Culham je od 60. let významným mezinárodním výzkumným centrem v oblasti fúze.
JET se poprvé dostal na titulní stránky po celém světě v roce 1991, kdy se stal prvním strojem, který dosáhl řízené fúze. V roce 1997 vytvořil světový rekord v oblasti energie vyrobené z plazmy a nadále se zdokonaluje, aby připravil cestu pro svého mezinárodního nástupce, ITER.
Můžete prosím vysvětlit experiment, který váš tým provedl, a čeho jste se rozhodli dosáhnout?
JET DTE2 je nejvýznamnější celosvětový experiment s energií magnetické fúze za více než 20 let. Rozhodli jsme se produkovat vysokou a udržitelnou úroveň energie z jaderné syntézy, v podmínkách, které se více podobají očekávaným návrhům pohonných jednotek než předchozí pokusy, za použití paliv – deuteria a tritia – která by měla pohánět budoucí komerční elektrárny.
Celkovými cíli experimentu bylo:
Jaká klíčová zjištění vzešla z experimentu?
Současné experimenty ukazují, že dokážeme produkovat vysoké úrovně fúzní energie udržované po dobu pěti sekund. I když pět sekund pro pohonnou jednotku zjevně nestačí, výrazně to zvyšuje naši důvěru, že tento výkon bude možný po mnohem delší dobu v zařízeních, která budou využívat nejnovější vývoj v technologii (jako jsou supravodivé magnety).
JET vyprodukoval celkem 59 megajoulů tepelné energie z fúze během pěti sekund (doba trvání fúzního experimentu). Během tohoto experimentu JET průměroval fúzní výkon (tj. energii za sekundu) přes 10 megawattů (megajoulů za sekundu).
JET světový rekordní puls. Kredit videa: UKAEA/EUROfusion
Co umožnilo vašemu týmu překonat váš vlastní rekord v oblasti jaderné fúze?
Tisíce vědců, inženýrů, studentů a zaměstnanců z celé Evropy spolupracovaly na více než zdvojnásobení předchozího dosaženého rekordu fúzního experimentu v roce 1997 na místě UKAEA v Oxfordshire.
Energetický rekord dosažený JETem v roce 1997 byl 22 megajoulů tepelné energie. Přejít odtamtud k aktuálním výsledkům byla opravdová výzva. Tento výsledek JET je obzvláště pozoruhodný, protože jsme spojili všechny potřebné ingredience – palivovou směs, relevantnější materiály stěn a scénáře relevantní pro ITER – pro vůbec první trvalé D-T plazma s vysokým energetickým výstupem na světě.
Zejména nové materiály stěn vyžadovaly od vědců neuvěřitelné úsilí, aby se naučili, jak zvládat zvýšený problém s nečistotami, který tyto materiály představovaly. V letech před experimenty navíc inženýři vložili obrovské množství práce do modernizace systémů, aby se připravili na použití tritia a maximalizovali počet diagnostik na stroji – výsledkem bylo obrovské množství vědeckých dat. která pomůže ITERu a celé fúzní komunitě.
Významný průlom byl učiněn ve vývoji praktické jaderné fúze. Co to znamená pro budoucnost nízkouhlíkové energetiky?
Tyto významné výsledky nás posunuly o obrovský krok blíže k překonání jedné z největších vědeckých a technických výzev ze všech. Je to odměna za více než 20 let výzkumu a experimentů s našimi partnery z celé Evropy.
Fúze v konečném důsledku slibuje téměř neomezený zdroj zelené elektřiny z dlouhodobého hlediska s využitím malého množství paliva, které lze získat po celém světě, a je ze své podstaty bezpečné, protože nemůže spustit proces, který uniká.
Vzhledem k tomu, že tlak na řešení dopadů změny klimatu prostřednictvím dekarbonizace výroby energie narůstá, je tento úspěch významným krokem vpřed v plánu jaderné syntézy jako bezpečného, účinného a nízkouhlíkového prostředku k řešení globální energetické krize.
Jaká jsou současná omezení v jaderné energetice a jak by se tento výzkum mohl ukázat jako klíčový pro revoluci v její budoucnosti?
Fúzi lze provést a byla provedena na JET . Zavedení elektřiny z jaderné syntézy do sítě, a to ekonomicky a spolehlivě, však vyžaduje technologická řešení několika hlavních problémů:
UKAEA provádí špičkovou práci (s průmyslovým dodavatelským řetězcem Spojeného království) ve všech těchto oblastech prostřednictvím svých zařízení MRF, MAST-U, RACE, FTF a H3AT (viz Q11).
Související příběhy
Image Credit: UKAEA/EUROfusion
Potýkali jste se během svého výzkumu s nějakými problémy a jak byly nebo budou překonány?
Byla to extrémně náročná kampaň a vzali nás správně konec, než jsme dosáhli tohoto rekordního výkonu.
Provedení celoevropského experimentu s přispívajícími vědci z 30 členů EUROfusion uprostřed pandemie si vyžádalo určité úpravy – normálně může být na místě přítomen každý, ale tentokrát jsme se museli naučit, jak toho udělat hodně na dálku.
Po technické stránce byla výzva provozovat všechny systémy JET na maximální výkon současně, což jsme potřebovali pro špičkový výkon plazmy, ale nakonec jsme to zvládli.
Kde vidíte energii z jaderné syntézy v příštích 10–20 letech?
Očekávám, že za svého života uvidím energii z jaderné syntézy v elektrické síti a všichni v UKAEA je odhodlána co nejvíce urychlit cestu k tomuto bodu. Ať už bude tohoto milníku dosaženo v příštích 10, 20 nebo 30 letech, spuštění stovek jaderných elektráren na pozadí tohoto úspěchu bude trvat déle, stejně jako u jakékoli nové technologie výroby energie. Je ale jasné, že fúze poskytuje jednu z mála možností, jak dodávat velké množství nepřetržité bezuhlíkové energie do sítě ve druhé polovině 21st století a ještě tisíce let po tomto , takže je nezbytné, abychom jej vyvíjeli společně s dalšími udržitelnými zdroji energie.
Jaké jsou další kroky projektu?
Během několika příštích let budeme analyzovat všechna data, která vzešla z této experimentální kampaně a publikovat je ve vědecké literatuře. To nepochybně povede k následným experimentům na JET a dalších evropských fúzních zařízeních kontrolovaných EUROfusion.
Záznamy a vědecká data z těchto experimentů jsou velkou podporou pro ITER, větší a pokročilejší verzi JET. ITER je megaprojekt výzkumu fúze se sídlem ve Francii. Dále demonstruje vědeckou a technologickou proveditelnost energie z jaderné syntézy.
Tyto výsledky poskytují velkou jistotu pro další fázi experimentů v ITER a budoucích demonstračních elektrárnách, jako je britský program STEP, EU DEMO a několik dalších veřejných a soukromých projektů, které jsou navrženy tak, aby dodávaly elektřinu do sítě.
Další experimenty a zařízení UKAEA budou také hrát zásadní roli při získávání energie z jaderné syntézy do sítě. Patří mezi ně:
Rozhovor s Joe Milnesem. Kredit videa: UKAEA/EUROfusion
Kde mohou čtenáři najít další informace?
https://ccfe.ukaea.uk/
Odkaz na tiskovou konferenci: https://www.youtube.com/watch?v=H99hvPlC4is
O Dr. Joe Milnes
Do UKAEA jsem nastoupil jako absolvent v roce 2000. Mé vzdělání je ve strojírenství a tepelně-hydraulickém modelování. Během své kariéry v UKAEA jsem zastával různé inženýrské a manažerské role napříč JET, MAST-U a ITER. Kromě mé současné role vedoucího provozu JET předsedám nebo radím při recenzích jiných zařízení pro jadernou syntézu po celém světě.
Odmítnutí odpovědnosti: Názory zde vyjádřené jsou názory dotazovaného a nemusí nutně představovat názory AZoM.com Limited (T/A) AZoNetwork, vlastníka a provozovatele této webové stránky. Toto vyloučení odpovědnosti tvoří součást podmínek používání této webové stránky.
