Virtuální model fúzního reaktoru na Ústavu energetiky ČVUT

Tým vede doktorand Ústavu energetiky Ing. Vojtěch Smolík a význam modelu může nejlépe objasnit.

Stav a předpokládaný vývoj evropské energetiky vyžaduje radikální řešení. Mohou v dohledné době fúzní rektory nabídnout dostatečnou produkci levné energie? 

Vojtěch Smolík: Fúzní reaktory představují řešení energetiky v dlouhodobém horizontu, nikoliv v horizontu do 20 let. Mají potenciál nabídnout nízkoemisní energii se zanedbatelnými náklady na palivo, například vodík, které je na rozdíl od fosilních paliv dostupné všem ve stejné míře. Jednou z dalších hlavních výhod je, že fúzní palivo je z hlediska doby trvání lidské civilizace na Zemi nevyčerpatelné. Cena energie z fúze bude závislá zejména na ceně výstavby fúzní elektrárny, která v první generaci fúzních elektráren může být vysoká, ale s rozvojem technologie výroby jednotlivých komponent má potenciál klesat a v dalších generacích konkurovat i těm nejlevnějším energetickým zdrojům. V dohledné době může nabídnout dostatečnou produkci levné a nízkoemisní energie i vhodně sestavený energetický mix stávajících zdrojů s významným podílem jaderných bloků založených na štěpné řetězové reakci.

Myšlenka využití jaderné fúze v energetice je asi 70 let stará a spuštění prvního fúzního reaktoru se očekává v roce 2050. Je to reálný termín?

Fúzní reaktory jsou v provozu již dnes. Hlavní otázkou je, kdy se podaří dosáhnout stavu, ve kterém fúzní zařízení jako celek dodává více energie, než spotřebovává. Pokud chceme odhadovat datum spuštění prvních energetických tokamaků, musíme průběžně sledovat situaci a vývoj projektu ITER. V návaznosti na ITER bude budována první, demonstrační fúzní elektrárna DEMO. Právě tokamak DEMO je předlohou pro náš model ve virtuální realitě Fúzelín.

Naše Akademie věd a několik vysokých škol se podílejí na předchozím projektu ITER ve Francii. Jak na tom spolupracuje Fakulta strojní? 

Fakulta je zapojena jako externí pracoviště programu Udržitelná energetika projektu Strategie AV21 a podílí se na řešení úkolů tématu Pokročilé technologie pro jadernou fúzi, který řeší Ústav fyziky plazmatu AV ČR. Mezi Ústavem energetiky FS a Ústavem fyziky plazmatu AV ČR probíhá spolupráce, díky které jsme i my studenti v kontaktu s odborníky, kteří se na projektech ITER a DEMO přímo podílejí. Na našem ústavu se zabýváme otázkami souvisejícími s přestupem tepla ve fúzních reaktorech a tepelnými oběhy fúzních elektráren. Pracujeme s parametry tokamaků ITER i plánovaného DEMO a výsledky publikujeme na fúzních konferencích a ve fúzních impaktovaných časopisech. Tím se podílíme na vývoji fúzních elektráren.

Podílíte se na tvorbě virtuálního modelu fúzního reaktoru Fúzelín. Souvisí tento projekt s existujícím virtuálním štěpným reaktorem Cenelín, který se využívá na Fakultě strojní jako výukový a popularizační projekt pro studenty i širší veřejnost?   

Nápad vytvoření tokamaku ve virtuální realitě vznikl v mé hlavě prakticky okamžitě po prvním vkročení do virtuálního reaktoru VVER 1000 Cenelín. Protože je Cenelín projektem kolegů na našem ústavu a mám tak přístup ke všem zdrojovým dokumentům aplikace pro VR, prvotní myšlenka byla jednoduchá: Jednoduše nahradím stávající 3D modely, změním název aplikace a popisky komponent a bude „hotovo“. Opak se stal pravdou a Fúzelín vznikl od nuly jako nový samostatný projekt. Zčásti se tak stalo vlivem vydání nové verze softwarového herního enginu Godot, ve kterém pracujeme. Zčásti to také vyplynulo z odlišnosti obou projektů. Prioritou Cenelínu je technická přesnost, popisuje konkrétní reaktor a komponenty jeho primárního okruhu. Fúzelín zobrazuje koncepční návrh a základní principy fungování tokamaků. Při tvorbě Fúzelínu se držíme návrhů komponent z aktuálních vědeckých článků, ale máme jisté stupně volnosti, které umožňují upřednostnit názorné zobrazení fungování tokamaku. 

Podílejí se na projektu Fúzelín také studenti nebo vědci dalších fakult ČVUT? 

Nepodílí. Fúzelín je projekt studentů Fakulty strojní, nicméně zájemce z ostatních fakult rádi přijmeme do týmu. Vítaná je zejména znalost programu pro tvorbu modelů Blender. Dále bychom rádi našli studenta fyziky plazmatu, který by přicházel s nápady, jak tyto velmi komplikované fyzikální jevy názorně zobrazit a popularizovat.

Byl virtuální model FÚZELÍN vytvořen pro vizualizaci konstrukčních a provozních parametrů tokamaku DEMO – pro výuku nebo hlavně pro popularizaci jaderné fúze? 

Máme k dispozici aktuální návrhy komponent tokamaku DEMO. To jsou ale pouze výstupy jednotlivých vědeckých projektů, nejedná se o ucelený návrh celého zařízení. Finální a kompletní návrh parametrů tokamaku DEMO v tuto chvíli není dostupný. Prioritou je pro nás popularizace. Věřím v potenciál využití interaktivních prvků ve virtuální realitě, které mohou přiblížit některé fyzikální jevy probíhající v tokamaku. K brýlím pro virtuální realitu ale nemá přístup každý, a tak experimentujeme i s variantou zjednodušeného modelu tokamaku, který si může každý zobrazit přímo na našich webových stránkách cenelin.org . Vzhledem k tomu, že na naší fakultě mají studenti možnost setkat se s výukou jaderné fúze až v magisterském studiu, se výuka zaměřuje na základní znalosti. Fúzelín je proto dobrý nástroj, jak studenty seznámit s fungováním tokamaku i v rámci běžné výuky.

První verze aplikace je hotová a nyní pokračujete na vývoji. Kdy dokončíte Fúzelín pro prezentaci studentům VŠ i SŠ a další odborné veřejnosti? 

K prvnímu lednu roku 2023 jsme zveřejnili první verzi, projekt je ale na počátku. V tuto chvíli jsou v modelu základní komponenty tokamaku, pro další verzi pracujeme například na doplnění systémů ohřevu plazmatu, nebo možnosti ovládat provoz tokamaku vlastníma rukama. Aktuálně také pracujeme na vhodném způsobu popisu jednotlivých komponent přímo ve VR. Objemné množství informací o fungování jaderné fúze musí být do modelu vloženo takovou formou, aby bylo pro zájemce snadno dostupné, ale nepůsobilo rušivě. 

S kolegou z doktorského studia prezentujeme stávající projekt Cenelín na středních školách společně s popularizační přednáškou o jaderné energetice. Tyto prezentace seznamují středoškoláky se základním fungováním jaderných reaktorů a zároveň učí i nás, jak tyto studenty co nejlépe zaujmout a vzbudit v nich zájem o téma. Tato zpětná vazba je pro nás velmi důležitá a je možné, že na konci vývoje bude Fúzelín existovat ve dvou variantách: jedna cílená na vysokoškolské studenty a odborníky, a druhá „light“ verze zaměřená na popularizaci, ve které bude dán větší důraz na herní prvky virtuální reality. Dokončení projektu je plánováno v průběhu letošního roku. Pokud přijde nový nápad, který by se dal do modelu vložit, určitě ho budeme dále aktualizovat a nejnovější verze bude vždy dostupná zdarma na našem webu.

Jak moc může Fúzelín přispět ke vzdělávání vysoce kvalifikovaných inženýrů, kteří posunou jadernou energetiku na vyšší úroveň? Bude jejich vzdělávání doplňované na jiných výzkumných a provozních zařízeních? 

Každý inženýr se musel napřed rozhodnout, že se bude technice věnovat a půjde studovat například energetiku na ČVUT. Fúzelín má za cíl motivovat studenty středních škol ke studiu techniky a následně také přivádět studenty Fakulty strojní ke studiu jaderné energetiky. Studenti, kteří se přihlásí na náš magisterský obor Jaderná energetická zařízení, mají samozřejmě možnost vidět skutečná jaderná zařízení a setkat se osobně s odborníky „z jádra“, což je zkušenost přesahující jakoukoliv virtuální realitu. Po absolutoriu pak mohou, jako špičkoví inženýři, přispívat k výraznějšímu pokroku v energetice.