TechMIX: Sen o „umělé hvězdě“ dostal trhliny. Řešitelné, ale nepříjemné

Od roku 2007 se v jižní Francii staví Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor, známý i u nás pod anglickou zkratkou ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Drží poněkud nezáviděníhodný titul nejdražšího vědeckého projektu světa s oficiální cenovkou 18 miliard eur.

V samém jádru ITERu se skrývá termonukleární reaktor s velkou vakuovou komorou. Teplota plazmatu v něm má dosahovat až 150 milionů stupňů, což je desetinásobek hodnoty ve středu Slunce. A podmínky mají být tak extrémní, že by tu mělo ve velkém měřítku docházet k podobným procesům jako na Slunci. Tedy ke slučování jader v takovém množství, že se bude uvolňovat značné množství energie (více o procesu i o tom, jak těžké je ho zvládnout, například v tomto textu).

Na výstavbě ITERu spolupracuje 35 zemí. Evropská unie se jako hostující člen podílí na nákladech téměř z poloviny, zbylých šest členů (Čína, Indie, Japonsko, Jižní Korea, Rusko a USA) přispívá rovným dílem na zbytek. Výstavba byla zahájena v roce 2006 a po několika odkladech byl v roce „start“ určen na rok 2025. A ani tento termín nebude dodržen, jak ještě uvidíme.

Stavba ITERu se rozbíhala pomalu a s řadou obtíží. Složitá struktura projektu, která vznikla náročnou dohodou všech členských zemí, které všechny chtěly mít přístup ke všem důležitým technologiím vyvinutým v rámci projektu, se ukázala nepraktická. I když došlo později k určitému zjednodušení dodavatelského řetězce, ITER pořád trpí tím, že při dělení odpovědnosti za výrobu a vývoj hrála velkou roli politika. Díly se v místě stavby, jihofrancouzském Cadarache, scházejí z několika kontinentů, i když by alespoň některé šlo vyrobit blíže či levněji.

V posledních letech se podařilo projekt postupně dostat na „správnou kolej“. V současné době je hotov téměř ze tří čtvrtin (míněn celý provoz, ne samotný reaktor) a ještě nedávno se zdálo, že původní harmonogram by mohl být alespoň v principu dodržen. Spuštění reaktoru, tzv. „první plazma“, se například předpokládalo na prosinec roku 2025, tak aby se stihl vytčený rok. V letech následujících by pak jeho výkon měl postupně růst až na dané maximum. Pak ovšem hvězdy přestaly být své budoucí pozemské „falešné sestřičce“ nakloněny.

„Významný zásah do harmonogramu přinesla pandemie covid-19,“ myslí si Radomír Pánek, ředitel Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd, který je mimo jiné místopředsedou správní rady agentury „Fusion for Energy“ (F4E), která zajišťuje evropskou část výstavby ITERu.

V průběhu roku 2020 došlo k velkým odkladům dodávek komponentů třeba z jihoevropských zemí, které byly těžce zasaženy první vlnou koronaviru (tou, které se Česko vyhnulo) a také z Číny. Řada dodavatelských podniků nejprve zavřela a když otevřela, tak často s menší výrobní kapacitou, třeba kvůli omezení počtu lidí v provozech. Omezení totoho druhu platilo i také v samotném Cadarache. S dalšími pandemickými vlnami se pak problém opakoval.

Pandemie a jí způsobené změny v chování i ekonomice pak přinesly všem dobře známé otřesy v dodávkách materiálů a dílů. Od začátku roku 2022 se ještě přidala inflace - byť ta nepředstavuje až tak vážný problém, protože projekt už je z nějakých 75 procent hotov, připomíná Radomír Pánek.

Začalo být tedy jasné, že se ITER nestihne podle původního plánu. V první polovině letošního roku se zpoždění podle některých představitelů projektu odhadovalo na 20 měsíců. Mluvilo se o tom, že nový harmonogram, který by zpoždění zohledňoval, bude představen v průběhu roku a schválen na jeho konci.

To změnila jedna osobní tragédie. V květnu zemřel po delší nemoci ředitel ITERu, Bernard Bigot, který výraznou měrou přispěl k tomu, že ITER po nejistém rozjezdu chytil v polovině minulé dekády „druhý dech“. Vyhlášení nového harmonogramu bylo tedy ponecháno až na nového generálního ředitele. Minulý měsíc jím byl jmenován Pietro Barabaschi, který do té doby také pracoval v evropské organizace F4E. O novém harmogramu - a tedy i datu dokončení - zatím rozhodnuto nebylo.

A aby to vše nebylo málo, ke všemu se přidaly i problémy ryze technické.

První technickou komplikací je, že v klíčových komponentech byly objeveny trhliny, kvůli kterým bude muset proběhnout „rozborka a sborka“ dosud instalovaných částí samotného reaktoru. Problémy se týkají tepelných štítů vakuové nádoby, ve které bude rozžhavené plazma, a také štítu kryostatu. ("To je vlastně druhá vnější vakuová nádoba, do které je celý tokamak/reaktor uzavřen. A tím, že se nachází reaktor ve vakuu, eliminuje se vedení tepla mezi jednotlivými komponentami na velmi odlišných teplotách," vysvětluje jeho funkci Radomír Pánek).

Tepelná izolace je pro ITER klíčová. Zařízení má pracovat díky supravodivým magnetům chlazeným heliem. Ty stojí kolem obří vakuové nádoby s výškou zhruba pětipatrového domu, ve které se má plazma ohřát na teploty až kolem 150 milionů stupňů.

Zajištění správné teploty v takovém zařízení není triviální úkol. Tepelný štít vakuové nádoby a tepelný štíty kryostatu (tj. chladicího zařízení) jsou aktivně chlazené postříbřené plechy o tloušťce 20, resp. 10 milimetrů. Oba jsou nezbytnou součástí tepelné izolace supravodivého magnetického systému, který pracuje s kapalným héliem při teplotě 4 Kelviny (tj. skoro -270 °C).

ITER je sice veliké, ale zároveň také velmi kompaktní zařízení. Panely tepelného štítu jsou umístěny v úzké mezeře mezi stěnou vakuové nádoby a cívkami toroidálního pole (na jeden modul připadají dvě). Tepelný štít vnitřní stěny kryostatu je také kompaktní součástí celé struktury.

V listopadu 2021 byly při zkouškách s využitím helia zjištěny netěsnosti na prvním modulu tepelného štítu vakuové nádoby. K odhalení příčiny urychleně vznikly pracovní skupiny s odborníky z různých partnerských zemí ITERu. Těm se podařilo identifikovat hlavní příčinu netěsností: zvýšené pnutí, které v materiálu vyvolalo tvarování a svařování trubek pro chladicí kapalinu. Zhoršily ho pomalu probíhající chemické reakce vyvolané přítomností malého množství sloučenin chlóru v některých místech kolem svarů.

Jak se tam chlor dostal? Než se panely tepelného štítu postříbří, s pomocí kyseliny chlorovodíkové se zbaví nečistot. Povrch se poté potáhne vrstvou niklu a teprve pak dojde na stříbro. Právě během tohoto procesu v blízkosti některých svarů zůstalo malé množství sloučenin chloru, které pomalu přispívaly ke korozi materiálu. Ve výsledku došlo k tzv. „koroznímu popraskání“ a v potrubí se časem vytvořily trhliny hluboké až 2,2 milimetru.

Takové věci se při vývoji stávají, říká Radomír Pánek: „Právě otestování a doladění takovýchto výrobních procesů je nedílnou součástí vývoje unikátního zařízení skládajícího se z mnoha komponent, které jsou první svého druhu.“

Po odhalení příčin se samozřejmě nabízela zásadní otázka: Je to závada omezená pouze na určité kusy, nebo obecnější problém, který postihuje všechny díly tepelného štítu?

Jen pohledem zvenčí to zjistit nelze, a tak se vedení ITERu rozhodlo pro maximální opatrnost. „Riziko je příliš vysoké a důsledky netěsnosti panelu tepelného štítu během provozu jsou příliš hrozivé,“ uvedl v tiskové zprávě k události nový generální ředitel ITERu Pietro Barabaschi.

Hrozivé tedy ve smyslu, že by zařízení nefungovalo na předpokládaný plný výkon, nebo by mohlo dojít k poškožení nějakého dílu. Fúzní reaktor totiž pro své okolí prakticky není nebezpečný. Na rozdíl od jaderného reaktoru neobsahuje velké množství nějakého potenciálně nebezpečného materiálu, který by mohl neřízeně reagovat.

Problém ovšem znamená pro zaměstnance ITERu spoustu práce navíc. Musejí provést důkladnou kontrolu už instalovaných součástí. Na svém místě je v tuto chvíli pouze jeden z celkem devíti kusů vakuové komory, takže v tomto ohledu není třeba se příliš „vracet zpět“. Větší komplikaci představuje nezbytná kontrola spodní části tepelného štítu reaktoru, která byla na své místo v reaktorové jámě vsazena už v lednu 2021.

V ITERu ovšem převládají relativně optimistické hlasy, jak tvrdí Radomír Pánek. „I když ještě nebylo definitivně rozhodnuto, jak budou práce přesně postupovat, zjevně bude možné proces optimalizovat, takže ztráta času nebude tak významná,“ říká český fyzik.

Objevil se ještě jeden problém, který je rozměry malý, ale pro ITER z několika důvodů nepříjemný. Tři díly samotné vakuové nádoby reaktoru, které na místo dorazily z Jižní Koreje (tři z celkem devíti, zopakujme) obsahují drobné nepřesnosti.

Nádoba ITERu bude veliká. Vnější výška je téměř 20 metrů, navíc nejde ani tvarem o jednoduchý výrobek. Vakuová komora, tedy prostor pro vakuum, bude mít na výšku cca 11,4 metru.

A byť ve skutečnost nejde o jaderný reaktor, jak je známe dnes, z „úředního hlediska“ tomu tak je. Na konstrukci se kladou stejné nároky jako na jaderná zařízení: všechny svary musí být podrobně zdokumentovány a všechno musí být přesně podle plánu – a to se při výrobě prvních dílů vakuové nádoby ITERu ne zcela podařilo.

Ono to vlastně není z laického pohledu překvapivého. Jde o unikátní díl s výškou 15 metrů, který se musí svařit s tolerancí jednotek milimetrů. Díly tedy bude nutné také opravit – „Někde něco navařit, někde odfrézovat,“ říká Radomír Pánek.

Chyba není z technického hlediska fatální; reaktor by s ní mohl fungovat. Protože ovšem chyby jsou nad stanovenou toleranci, francouzský jaderný dozor, který na stavbu dohlíží, požaduje nápravu. A i přesný proces oprav bude nutné nechat schválit „francouzským SÚJB“. Což ve výsledku podle Pánka může znamenat, že administrativní stránka celého procesu by mohla náročnější než samotná technická realizace.

Je dokonce možné, že rychleji než tři korejské díly se na své místo dostanou díly vakuové komory vyráběné v Evropě, které se blíží dokončení. Ty se alespoň zatím daří svářet v rámci dané tolerance.

Možná jste si všimli, že ve výčtu „ran“, které na ITER v poslední době dopadly, chyběla zmínka o válce na Ukrajině. Do jisté míry je to dáno unikátním statutem ITERu. Projekt vznikl na základě dlouho dohadované mnohostranné smlouvy. Obsahuje celou řadu věcí, ovšem zcela v ní chybí možnost někoho z partnerů z organizace vyloučit. To znamená, že Rusko i po invazi nadále zůstává členem projektu a bude jím, dokud z něj samo neodejde. (To jde, Spojené státy už dokázaly odejít a znovu se vrátit.)

Spolupráce s Ruskem tedy nadále pokračuje. Největší potíže v tomto ohledu mají sami ruští odborníci, kteří kvůli embargu nemohou dovážet některé komponenty ze západních zemí. Zatím se to nestalo, existuje ovšem jistá obava, že tento problém by někdy mohl vést ke zpoždění dodávek ruských částí projektu.

V plné verzi newsletteru TechMIX toho najdete ještě mnohem víc. Přihlaste se k odběru a budete ho dostávat každou středu přímo do své e-mailové schránky.