Od prvních experimentů na tokamaku GOLEM až po výzkum v jednom z předních evropských center jaderné fúze. Oceňovaná absolventka Jaderky Daniela Kropáčková dnes pokračuje v doktorském studiu v Německu a zabývá se výzkumem, který může přispět k řízení budoucích fúzních reaktorů. V rozhovoru přibližuje svou cestu k fyzice plazmatu i to, jak blízko jsme podle ní k prvním fúzním elektrárnám.
Když se ohlédnete zpátky, kdy jste si poprvé řekla, že byste se chtěla věnovat fyzice plazmatu a jaderné fúzi?
O jádro a jadernou energetiku jsem se začala zajímat už na základní škole, když jsem poprvé navštívila centrum Jaderné elektrárny Dukovany. Když se pak později na gymnáziu na nástěnce, kde byly informace o soutěžích a akcích pro středoškoláky, objevil leták zvoucí na den otevřených dveří na Jaderce, rozhodla jsem se fakultu navštívit. Součástí programu byla také exkurze na tokamak GOLEM. Tehdy jsem ale o termojaderné fúzi ani o tokamacích prakticky nic nevěděla a s tím, co vlastně tokamak je a jak funguje, jsem se poprvé seznámila až na této návštěvě.
Shodou okolností se přibližně týden po dni otevřených dveří konala ve Hvězdárně a planetáriu Brno přednáška pana Milana Řípy o termojaderné fúzi. Můj zájem o toto téma ještě více prohloubila a vlastně přivedla i k tomu, že jsem napsala Vojtovi Svobodovi, vedoucímu tokamaku GOLEM, s dotazem, zda by bylo možné na tokamaku zpracovat práci SOČ. Tím začala moje cesta ke studiu termojaderné fúze.
Na tokamaku GOLEM jste tedy začínala už jako středoškolačka. Jak na tu dobu vzpomínáte?
Na všechny čtvrtky na GOLEMovi, tedy dny, kdy bylo možné na tokamaku zůstat i déle do večera, vzpomínám velice ráda. Na GOLEM jsem to neměla úplně nejblíž, ale vlastně jsem se na tu tříhodinovou cestu z Brna do Prahy vždy moc těšila, i když jsem pak na tokamaku strávila tu samou dobu, ne-li kratší, a zase jela zpátky. Za tuto příležitost jsem všem, kteří mě tehdy podporovali a kteří mnohdy přicházeli na tokamak jen proto, aby mi pomohli se SOČkou, moc vděčná. Práce na GOLEMovi mi umožnila si poprvé vyzkoušet rozsáhlejší experimentální měření, zahrnující práci s osciloskopem, zpracování většího množství dat, psaní reportů a podobně. To se mi později hodilo jak při studiu na Jaderce, tak při práci na bakalářské či diplomové práci.
Vaše zmíněná diplomová práce získala hned dvě prestižní ocenění. Jaké to byly pocity?
Cena za diplomovou práci od Max Planck Institutu pro Fyziku Plazmatu (IPP) vlastně přišla zcela nečekaně. O tom, že byla moje práce nominována, jsem se dozvěděla až ve chvíli, kdy jsem dostala zprávu s tím, že si mám připravit krátké shrnutí své práce, které budu prezentovat na jedné z institucionálních konferencí (IPP Programme Days), kde mi bude tato cena předána. O nominaci na cenu od FuseNetu jsem věděla předem. Abych ale řekla pravdu, tak potom co jsem získala cenu od IPP, jsem si ani nemyslela, že bych mohla dostat i tuto. Obou cen si moc vážím, ale určitě jejich zisk není jen mou zásluhou. Stojí za nimi podpora mnoha lidí, kteří mi za uplynulá léta věnovali svůj čas, zkušenosti i energii, především tedy mého vedoucího, konzultantů či lidí z katedry fyziky.
VÍCE SI MŮŽETE PŘEČÍST ZDE: Absolventka Jaderky získala dvě prestižní ocenění za diplomovou práci z oblasti jaderné fúze
Diplomovou práci jste zpracovávala v Max Planck Institute for Plasma Physics v Německu. Jaké bylo dostat se do jednoho z předních světových center výzkumu jaderné fúze?
Samozřejmě přejít ze zařízení o velikosti tokamaku GOLEM na zařízení o velikosti tokamaku ASDEX-Upgrade (AUG) byl velký rozdíl. GOLEM se vejde do jedné malé místnosti a ke svému provozu vyžaduje v podstatě jen jednoho operátora, kdežto AUG na to potřebuje celou halu a ještě k tomu má vědecký a technický tým o víc než dvě stě lidech. Znamená to, že na institutu najdete odborníka na téměř jakékoliv téma z oblasti fyziky plazmatu. Jelikož moje diplomová práce zasahovala do více oblastí (teorie řízení, fyzikální modelování centra i okraje plazmatu, aplikace v experimentech), bylo skvělé, že jsem mohla vždy dané téma prodiskutovat s někým, kdo se tím přímo zabývá.
Vaše práce se zabývá řízením hustoty plazmatu v tokamacích. Jak byste laikům vysvětlila, proč je právě tento problém tak důležitý pro budoucnost jaderné fúze?
Hustota plazmatu je důležitým fúzním parametrem, jelikož fúzní výkon roste s kvadrátem její hodnoty. Aby bylo možné dosáhnout požadovaného výkonu budoucí fúzní elektrárny, je nutné udržovat hustotu plazmatu v blízkosti požadované hodnoty. Zároveň však existují provozní limity, jejichž překročení může vést ke zhoršení udržení plazmatu nebo dokonce k ukončení výboje. Řízení hustoty proto představuje jeden ze základních předpokladů bezpečného a spolehlivého provozu budoucích fúzních reaktorů.
Jako způsobu (aktuátoru) pro řízení hustoty se na současných tokamacích využívá především napouštění plynu. U velkých zařízení, jako je plánovaný ITER, se však tento způsob stává méně účinným, protože částice jsou ionizovány ještě před dosažením centra plazmatu, kde chceme hustotu zvýšit. Z tohoto důvodu se předpokládá využití alternativního způsobu, a to vstřelování zmrzlých kousků paliva, tzv. pellet, které umožňuje dopravit palivo hlouběji do plazmatu. Hustotu během výboje navíc ovlivňují i další procesy, například uvolňování částic ze stěn komory. Aby bylo možné všechny tyto vlivy zohlednit a udržovat požadovanou hustotu, je nezbytné využívat zpětnovazebního řízení hustoty plazmatu.
Co bylo při výzkumu nejtěžší?
Nějaké těžší momenty určitě byly, ale těžko říct, co bych teď zpětně označila za nejtěžší. Často jsou věci těžké jen do chvíle, než na to přijdete. Jen to občas může trvat déle, než si původně myslíte.
Při studiu jste měla možnost navštívit ITER i spolupracovat s odborníky na EPFL. Co vám tyto zkušenosti daly?
Ano, v tomto jsem měla obrovské štěstí. Řekla bych, že mi všechny tyto spolupráce poskytly trochu odlišné úhly pohledu na daný problém. Budu-li o něco více konkrétní, tak být s odborníky na ITERu byla o trochu jiná zkušenost než být u experimentů na již existujících menších tokamacích, jako je třeba TCV (tokamak v rámci SPC-EPFL).
U TCV si můžete správnost svého modelu ověřit v podstatě hned v rámci experimentu. U ITERu si přesnost své simulace ověříte až za přibližně deset let, tedy v době první plánované kampaně. Určitou roli pak také sehrává velikost a s ní jdoucí cena. U výboje pro ITER se bude pohybovat okolo 2 milionů eur. Navíc jediná disrupce (náhlý zánik plazmatu v důsledku ztráty proudu plazmatem) může být pro tento experiment likvidační. Proto se pro ITER v porovnání třeba s experimenty na TCV vše více plánuje a simuluje. Na TCV je cena i délka výboje řádově nižší a v podstatě není výjimkou, že výboj končí disrupcí. Bylo tedy zajímavé vidět, jakým způsobem se mění způsob uvažování od malého tokamaku GOLEM přes střední tokamak TCV, větší tokamak AUG a nakonec plánovaný tokamak ITER.
Dnes pokračujete v doktorském studiu v Garchingu a na univerzitě v Mnichově. Jaké otázky se teď snažíte vyřešit?
Má doktorská práce nese název Emulace ohřevu alfa částicemi na tokamacích a jejím cílem je napodobit vliv samovolného ohřevu plazmatu alfa částicemi, který nastává po zapálení termojaderné fúze. Na současných tokamacích, kde zatím k zapálení nedochází, je plazma ohříváno převážně externími zdroji, například elektromagnetickým vlněním nebo svazky urychlených neutrálních částic. Takový způsob ohřevu se však zásadně liší od ohřevu alfa částicemi. Fúzní výkon je úměrný druhé mocnině hustoty plazmatu a reaktivitě, jež je funkcí teploty. Alfa ohřev tak vytváří nelineární vazbu mezi hustotou, teplotou a fúzním výkonem.
Nabízí se proto otázka, jak se bude plazma chovat například v přítomnosti nestabilit, které způsobí pokles tlaku plazmatu, a tím i pokles fúzního výkonu. Ve fúzní elektrárně bude navíc nutné takové poklesy aktivně kompenzovat, aby byl zachován stabilní provoz reaktoru. Součástí projektu je proto také návrh regulátoru pro řízení termojaderného výkonu, v anglické literatuře označovaného jako burn controller.
Výzkum jaderné fúze je často označován za jednu z cest k energetice budoucnosti. Myslíte si, že se jí dočkáme v běžném životě?
Ano, troufám si tvrdit, že se fúzních elektráren jednou s velkou pravděpodobností dočkáme. O tom, kdy se tak stane a zda to bude ještě za mé, nebo až za některé z příštích generací, ale můžeme zatím jen spekulovat. S ohledem na rostoucí podporu jak ze strany soukromého sektoru, tak i ze strany vlád některých zemí, například Německa či Velké Británie, však lze očekávat, že o jaderné fúzi budeme v následujících letech slýchat stále častěji. Doufám proto, že tento rostoucí zájem přispěje k urychlení vývoje a nakonec i k výstavbě prvních fúzních elektráren ve světě.
Když se podíváte na svou cestu od středoškolačky na tokamaku GOLEM až po oceněnou vědkyni, co byste poradila studentům, kteří přemýšlejí, že by se vydali podobnou cestou?
Pokud vás nějaké téma zajímá a baví, nebojte se ozvat odborníkům a vědcům, kteří v dané oblasti pracují. Troufám si tvrdit, že to ve většině případů budou lidé, které to téma zajímá minimálně stejně jako vás a kteří možná i k vašemu překvapení budou právě na takové studenty čekat.
Láká vás do budoucna vrátit se do Česka, nebo zatím plánujete pokračovat v zahraničí?
Česko mám ráda a možnost, že se někdy vrátím, vylučovat nemohu a ani nechci. Na druhou stranu nebudu zastírat, že bych před potenciálním návratem ještě ráda nasbírala nějaké zkušenosti ze zahraničí.
Jaké jsou vaše další profesní sny?
Profesním snem je stát v řídící místnosti první fúzní elektrárny a aktivně se podílet na jejím spuštění. Součástí tohoto snu je pak i to, aby se tak stalo v dohledné době a ideálně v Evropě.