náhled|320x320px|Schéma stelarátoru - systém cívek (modrá), plazma (žlutá), magnetická siločára na povrchu plazmatu (zelená). náhled|Wendelstein 7-X - Výzkumný komplex v Greifswaldu v Německu. náhled|Instalace napájení pro supravodivé rovinné cívky náhled|Konstrukce v červnu 2012. náhled|Pohled do vakuové nádoby stelarátoru. Na obrázku jsou vidět ocelové pláty vakuové nádoby a měděné chladiče, kterými protéká chladicí voda. Ty budou následně pokryty grafitem. Wendelstein 7-X je největší experimentální fúzní reaktor typu stelarátor. Nachází se v městě Greifswald v Německu a provozuje ho Ústav fyziky plazmatu Maxe Plancka. Je v provozu od roku 2015Introduction – the Wendelstein 7-X stellarator Retrieved 5 November 2014.. Zařízení má za účel výzkum a vývoj technologií stelarátorů. Hlavním cílem je dosáhnout fúzní reakce trvající alespoň 30 min. při teplotě plazmatu 100 miliónů K a tím demonstrovat schopnost kontinuálního provozu stelarátorů (na rozdíl od tokamaků, které mohou dosáhnout kontinuálního provozu pouze v případě neinduktivního generování elektrického proudu v plazmatu). Tento experimentální reaktor není určen k výrobě elektrické energie. Vývoj reaktoru Wendelstein 7-X probíhal na základě zkušeností se stelarátorem Wendelstein 7-AS.

Projekt byl pojmenován po německé hoře Wendelstein v Bavorsku.

Konstrukce a hlavní komponenty Wendelstein 7-X má 5 os symetrie a skládá se z pěti přibližně stejných modulů. Tvar je podobný toroidu. Plazma se v komoře udržuje pomocí magnetického pole generovaného dvaceti rovinnými a padesáti nakroucenými supravodivými cívkami, aniž by došlo k významnější interakci horkého plazmatu se stěnou vakuové nádoby. Nakroucené cívky jsou používány k přesnému tvarování magnetického pole. Cívky jsou konstruovány pro dosažení hustoty plazmatu 3×1020 částic na metr krychlový a teploty plazmatu až 130 miliónů K.

Hlavními komponenty jsou magnetické cívky, vakuová nádoba, systémy chlazení, kryostat, divertor a systémy pro ohřev plazmatu.

Supravodivé cívky (NbTi) jsou chlazeny kapalným heliem na teplotu maximálně 4 K. Při takto nízké teplotě je elektrický odpor supravodiče prakticky nulový. Díky proudu o velikosti 12.8 kA protékající cívkami se pro udržení plazmatu v komoře generuje magnetické pole o velikosti až 3 T. Kvůli zabránění ohřátí cívek jsou instalovány tepelné štíty (zabránění přenosu tepla radiací) a celé zařízení je v kryostatu, který udržuje nízkou hodnotu tlaku – vytváří vakuum (zabránění přenosu tepla kondukcí).

Ve vakuové nádobě je magnetickým polem spoutáno plazma. Jak název napovídá, je v této části zařízení udržován velmi nízký tlak (vakuum) všech látek kromě paliva, aby plazma nebylo znečišťováno a ochlazováno. Nádoba tvarem kopíruje tvar plazmatu a má 254 otvorů pro diagnostiku a pro ohřev plazmatu. I když stěna vakuové nádoby s horkým plazmatem v podstatě neinteraguje, je i tak zatížena vysokými tepelnými toky a její první stěna musí být vyrobena z tepelně odolných materiálů.

Ohřev plazmatu probíhá pomocí elektromagnetických vln o rezonanční frekvenci buď elektronů, nebo iontů a pomocí vstřelování svazků neutrálních atomů.

Divertor hraje zásadní roli v odvodu odpadních produktů fúzní reakce, díky čemuž se udržuje plazma čisté.

Historie projektu Financování projektu z německého rozpočtu bylo oficiálně schváleno v roce 1994 v Greifswaldu. Budova pro stelarátor byla dokončena v roce 2000. Hlavní fáze konstrukcí skončila v roce 2014. První experiment s heliovým plazmatem se uskutečnil v prosinci roku 2015. Jeho cílem bylo především vyčištění vakuové nádoby. Dále také proběhly testy systémů ohřevu a diagnostiky. V roce 2016 se slavnostně konal za přítomnosti německé kancléřky Angely Merkelové první experiment s vodíkovým palivem.

První série experimentů probíhala od prosince 2015 do března roku 2016. Nejprve s heliovým plynem a následně s vodíkovým plynem. Palivo se v reaktoru nacházelo o poměrně vysoké teplotě (10 miliónů K), ale při velmi nízké hustotě, aby se zabránilo poškození vakuové nádoby. V této fázi se testovala především správná funkce supravodivých cívek a diagnostiky. Po skončení této série se do vakuové nádoby instalovaly grafitové bloky pro ochranu ostatních komponent a divertor pro odvod odpadních produktů fúzní reakce.

Druhá fáze experimentů probíhala v letech 2017 a 2018 a měla za účel ověřit správnou funkci nechlazeného divertoru a první stěny. Experimenty jejich správnou funkci prokázaly, a proto se mohlo přistoupit k ověření numerických predikcí chování plazmatu o vyšších parametrech. Délka nejdelšího výboje byla v této fázi 100 s. Po skončení této fáze byly pokusy dočasně přerušeny a začala rozsáhlá modernizace zaměřená na instalaci vodou chlazených divertorových prvků krytých uhlíkovými kompozity (CFC), což byl klíčový krok pro přechod k dlouhodobým vysokovýkonným výbojům.

V roce 2021 publikoval mezinárodní tým v časopise Nature zásadní milník: experimentální data potvrdila, že numericky optimalizovaný tvar magnetického pole skutečně vedl k očekávanému radikálnímu potlačení neoklasických ztrát tepla a částic, které historicky bránily praktickému využití stelarátorů.

Třetí fáze experimentů (OP 2 – Operation Phase 2) byla zahájena na podzim roku 2022 s plně aktivním vodním chlazením divertoru. V únoru 2023 zařízení dosáhlo rekordního energetického obratu 1,3 gigajoulu při výboji trvajícím přes 8 minut (480 sekund), čímž byla v praxi prokázána schopnost stacionárního odvodu vysokých tepelných toků. V dalších fázích kampaně dosáhl stelarátor v květnu 2025 stabilního udržení horkého plazmatu po dobu 43 sekund s trojným fúzním součinem srovnatelným s předními světovými tokamaky. Cílovým parametrem pro závěrečnou etapu provozu zůstává kontinuální výboj v délce až 30 minut s energetickým obratem 18 GJ.

Časová osa Datum Událost 1980 Zahájení plánování 1994 Zahájení projektu 2005 Zahájení konstrukce 2014 InauguraceProsinec 2015Začátek první fáze experimentů 2015 První heliové plazma po dobu 0,1 s 2016 První vodíkové plazma po dobu 0,25 sBřezen 2016Konec první fáze experimentůČerven 2017Začátek druhé fáze experimentůListopad 2018Konec druhé fáze experimentů 2021 Publikace potvrzení snížení neoklasického transportu v časopise NaturePodzim 2022 Zahájení třetí fáze experimentů (OP 2) s vodou chlazeným divertoremÚnor 2023 Dosažen energetický obrat 1,3 GJ při výboji v délce 8 minutKvěten 2025 Dosažen rekordní trojný součin při stabilním výboji v délce 43 sekund

Návazné projekty a technologický transfer Úspěšná demonstrace stabilního udržení plazmatu na Wendelstein 7-X bez proudových disrupcí vedla ke vzniku navazujících projektů zaměřených na komerční využití stelarátorů v energetice: Projekt Stellaris (Proxima Fusion): V roce 2023 vznikl z řad vědců a inženýrů Ústavu Maxe Plancka mnichovský spin-off Proxima Fusion. V únoru 2025 publikovalo konsorcium vedené touto společností ve spolupráci s IPP, Karlsruhským technologickým institutem (KIT), Instituto Superior Técnico v Lisabonu a University of Wisconsin–Madison v časopise Fusion Engineering and Design první ucelený inženýrský návrh komerční elektrárny na bázi kvazi-izodynamického stelarátoru nazvaný Stellaris. Návrh přejímá geometrii magnetického pole prověřenou na W7-X, ale nahrazuje nízkoteplotní niob-titanové magnety vysokoteplotními supravodiči (HTS, REBCO pásky), což umožňuje zvýšit magnetické pole na cívkách nad 20 T a zmenšit rozměry reaktoru při dosažení energetického zisku. Partnerství pro výstavbu: V letech 2025/2026 podepsaly IPP, bavorská zemská vláda, Proxima Fusion a energetická společnost RWE memorandum o porozumění s cílem posoudit výstavbu prototypového fúzního reaktoru na pozemcích odstavené jaderné elektrárny (uvažována lokalita Gundremmingen či Isar).

Podle odborných analýz však přechod od experimentálního zařízení W7-X k reálné elektrárně naráží na několik zásadních inženýrských překážek: 1. Extrémní magnetický tlak: Použití magnetických polí přes 20 T u HTS magnetů vyvolává mechanický tlak přes 200 MPa (více než 2 000 atmosfér), což klade mimořádné nároky na nosnou mechanickou strukturu v členitém 3D prostoru. 2. Tepelné namáhání divertoru: Zvládnutí kontinuálního tepelného toku 10 až 20 MW/m² bez poškození první stěny a eroze materiálů. 3. Tritiové hospodářství: W7-X provádí experimenty výhradně s vodíkovým a deuteriovým plazmatem bez vzniku energeticky využitelné fúze a bez použití radioaktivního tritia. Komerční elektrárna vyžaduje reakci deuterium-tritium, přičemž globální nedostatek tritia vyžaduje vyvinout a integrovat do složité geometrie stelarátoru množivou lithiovou obálku (blanket) s množivým poměrem (TBR) přesahujícím hodnotu 1,05.

Financování Projekt Wendelstein 7 -X financuje z 80 % Německo a z 20 % Evropská unie. 90 % německých prostředků poskytuje federální vláda a zbylých 10 % spolkový stát Meklenbursko-Přední Pomořansko.

Mezi roky 1997 a 2014 byla celková cena projektu 1,06 miliard €, což přesáhlo původní odhady, a to zejména kvůli výraznému prodloužení vývoje v začátcích projektuFAZ: Start frei für deutschen Sonnenofen vom 20. Mai 2014.

V roce 2011 prezident společnosti Maxe Plancka oznámil, že se Spojené státy americké budou podílet na financování projektu částkou 7,5 miliony $ v rámci programu ministerstva energetiky Spojených států "Inovativní řešení ve fúzním výzkumu".

Spolupracující instituce

EU FJFI ČVUT (ČR) Technická univerzita v Berlíně (Německo) Univerzita v Greifswaldu (Německo) Výzkumné centrum v Jülichu(Německo) Ústav technologie v Karlsruhe (Německo) Univerzita ve Stuttgartu (Německo) Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Německo) Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA; Francie) Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT; Španělsko) Ústav jaderné fyziky a národní centrum pro jaderný výzkum v Krakově (Polsko) Ústav fyziky plazmatu a laserové mikrofúze ve Varšavě (Polsko) Ústav fyziky plazmatu Akademie věd České republiky (ČR) Výzkumný ústav částicové a jaderné fyziky v rámci maďarské akademie věd (Maďarsko) Trilateral Euregio Cluster (Německo/Belgie/Nizozemsko) Dánská technická univerzita (DTU) (Dánsko) Eindhovenská univerzita technologie (Nizozemsko)

USA Los Alamos National Laboratory Oak Ridge National Laboratory Princeton Plasma Physics Laboratory University of Wisconsin–Madison Massachusetts Institute of Technology Auburn University Xantho Technologies, LLC

Japonsko Národní ústav pro fúzní vědu

Reference

Externí odkazy

Wendelstein 7-X na stránkách Ústavu Maxe Plancka pro fyziku plazmatu (anglicky, německy) Čtyřicet tři sekundy nejlepšího plazmatu na světě – esej a analytický rozbor fyzikálních výsledků Wendelstein 7-X a návrhu elektrárny Stellaris v magazínu Kreativum Teletník

Kategorie:Jaderné reaktory Kategorie:Fúzní reaktory Kategorie:Věda a technika v Německu