slide slide slide slide

Novinky

Vyvíja supravodivé magnety. Do reaktora, ktorý využije jadrovú fúziu

12.2.2018

Čoraz častejšie sa presviedčame o tom, že ani na Slovensku nechýba dostatok špičkových vedcov. Jedným z nich je aj Michal Vojenčiak z Elektrotechnického ústavu SAV, ktorý spolu so svojím teamom vyvíja veľký magnet zo špeciálnych supravodivých cievok. Cieľom je – raz, možno už za desať rokov – postaviť prvú fúznu elektráreň. (Je ako atómová, len „naopak“, jadrá atómov sa v nej neštiepia, ale zlučujú.) Ako sa Michal Vojenčiak dostal od trolejbusov a električiek až do výskumu? Dozviete sa v našom interview.

V čom by jadrová fúzia mohla byť „výhodnejšia“ oproti súčasnej výrobe elektriny pomocou štiepenia jadier?

Napriek tomu, že pri štiepnej reakcii aj pri fúznej reakcii hovoríme o jadrových reakciách, ich princíp je úplne odlišný. Preto je veľmi ťažké správne ich porovnať. Prvé elektrárne založené na štiepnej reakcii boli naprojektované v 50-tych rokoch minulého storočia. Odvtedy sa postupne zdokonaľujú, vylepšujú a odborníci majú množstvo skúseností s ich prevádzkou. Naproti tomu zatiaľ neexistuje jediný fúzny reaktor, ktorý by vyrábal elektrickú energiu. Čaká nás preto ešte dlhá cesta.

Zásadný rozdiel je v použitom palive. Urán používaný pre štiepnu reakciu je nerastná surovina, ktorá sa nachádza na Zemi v obmedzenom množstve, podobne ako napríklad uhlie. Niekde sú ľahko dostupné ložiská kvalitného uhlia, niekde naopak treba veľkú námahu na ťažbu málo kvalitného. V každom prípade vieme, že jeho zásoby sa raz minú. To platí pre uhlie aj pre urán. Zatiaľ čo ale uhlie môžeme ľahko spáliť, urán sa musí ďalej spracovať technologicky náročným procesom, ktorý spotrebuje veľké množstvo energie. No a po použití musíme vyhorený urán zase bezpečne uložiť.

Pri fúznej reakcii je palivom vodík. Je to síce jeho zriedkavejšia forma – deutérium, aj tak sa ho však v morskej vode nachádza pomerne veľké množstvo. „Odpadom“ je hélium, ktoré nie je nebezpečné. Z pohľadu životného prostredia je teda určite fúzna reakcia výhodnejšia.

Aj z hľadiska bezpečnosti je veľký rozdiel medzi štiepnym a fúznym reaktorom. Hoci je bezpečnosť súčasných štiepnych reaktorov na veľmi vysokej úrovni, treba mať na pamäti že za určitých podmienok môže dôjsť ku nekontrolovateľnej reakcii. Pri fúznom reaktore máme skôr opačný problém. Ak nedodržíme všetky podmienky, reakcia sa spontánne zastaví.

Pre spoľahlivé dodávanie energie preto potrebujeme okrem obnoviteľných zdrojov aj stabilný a dobre ovládateľný zdroj. Fúzne elektrárne by mohli túto úlohu dobre plniť.

Je fúzia energiou budúcnosti pre ľudstvo, ktoré za pár desiatkov rokov bude musieť priniesť energiu pre 10 miliárd ľudí na našej planéte?

Je to veľmi lákavá možnosť. Ako som už spomenul, výhodou je dostatok dostupného paliva. Naše energetické nároky celkovo stúpajú – a to aj keby sme to prepočítali na jedného obyvateľa. Preto nové zdroje budeme potrebovať. Ideálne by bolo vyrábať energiu z obnoviteľných zdrojov – vody, vetra, pomocou fotovoltaických panelov. Lenže tu narážame na praktické problémy. Nie všade je vhodné postaviť priehradu, vietor v našich krajoch nie je taký spoľahlivý zdroj ako pri mori. Fotovoltaické elektrárne zaberajú veľké plochy, majú malý výkon, ktorý navyše kolíše podľa počasia. Pre spoľahlivé dodávanie energie preto potrebujeme okrem obnoviteľných zdrojov aj stabilný a dobre ovládateľný zdroj. Fúzne elektrárne by mohli túto úlohu dobre plniť.

V čom sú výskum a aj samotná praktická realizácia jadrovej fúzie náročné?

Fúzna reakcia môže v podmienkach dosiahnuteľných na Zemi prebiehať len pri teplotách viac ako 100 miliónov stupňov. Ako vytvoriť také prostredie? Asi najschodnejšou možnosťou je tokamak, v ktorom sa takto horúca plazma udržiava v určenom priestore pomocou silného magnetického poľa. Aby bola energetická bilancia fúznej reakcie pozitívna, teda že získame viac energie ako investujeme do jej naštartovania, musí byť objem vytvorenej plazmy veľký. To vedie k tomu, že fúzne reaktory musia byť obrovské, a teda aj drahé. Logickým krokom teda je, že sa krajiny z celého sveta spojili a vyvíjajú jednotlivé súčasti spoločne. Mnohé časti sú pritom na hranici možností známych materiálov. Napokon by mali byť všetky spoločne otestované v experimentálnom reaktore ITER. Jeho návrh a stavba zrejme presiahne 20 miliárd eur. Každá súčiastka si vyžaduje špeciálny vývoj a zlyhanie ktorejkoľvek môže znamenať neúspech projektu. Okrem samotného vývoja je veľmi dôležitá aj koordinácia výskumných tímov z celého sveta.

Michal VojenčiakAká je vaša úloha v oblasti jadrovej fúzie? Čomu sa projektovo venujete?

Tím, ktorého som súčasťou, sa zaoberá vývojom supravodivých magnetov. Konkrétnejšie vývojom káblov vyrobených zo supravodivých vodičov typu REBCO, pretože veľké magnety sa navíjajú z káblovaných vodičov. Samotné REBCO vodiče vyrábajú niekoľkí výrobcovia po celom svete a samozrejme sa stále zdokonaľujú. Jednou z našich úloh je testovať vlastnosti týchto nových vodičov a informácie poskytovať ostatným laboratóriám. Samozrejme, údaje používame aj my – pre vývoj nášho kábla. Celá táto aktivita je pritom zameraná na návrh fúznej elektrárne, ktorá by sa mohla začať stavať o 10-15 rokov. Dovtedy totiž treba ešte vyriešiť veľa problémov a počkáme aj na skúsenosti z prevádzky reaktora ITER.

Projekt jadrovej fúzie je  fascinujúcejší. Spája celý svet do spoločnej aktivity.

Sme stále ešte na začiatku roka 2018 – ale stihnete projekt s cievkami stihnúť načas?

Výskum jadrovej fúzie je veľmi dlhý proces. Výsledkom práve prebiehajúceho projektu by malo vybratie vhodného typu kábla pre jednotlivé typy cievok v magnetickom systéme. Až následne sa pristúpi najskôr k navinutiu testovacej cievky. A ani tá nebude ešte v skutočnej veľkosti. Najskôr sa totiž snažíme odhaliť problémy v menšom meradle. Reálna cievka pre toroidálne pole je totiž vysoká približne 15 m (ako približne štyri poschodia) a široká viac ako 10 metrov. Pri takto obrovskej cievky chceme čo najviac problémov vyriešiť ešte pred samotnou výrobou. Vďaka predchádzajúcim projektom už vieme, aká musí byť postupnosť, a krátkodobé ciele pravidelne kontrolujeme. Jedným z nich je napríklad pre tento rok úspešný test kábla chladeného kvapalným dusíkom. Vlani sme síce mali trochu problémy, ale tento rok dúfam všetko dobehneme.

Čo pre vás osobne znamená byť súčasťou projektu Horizon2020?

V európskych projektoch ste väčšinou súčasťou tímu viacerých výskumných pracovísk. Táto spolupráca vytvára podmienky pre odovzdávanie si vedomostí a skúseností. Každý niečím prispeje a od každého sa dá niečo naučiť. Všetky takéto európske projekty výrazne rozširujú obzory a to je dôležité aj pre môj osobný rozvoj. V neposlednom rade som získal aj veľa kamarátov z rôznych kútov Európy. Špeciálne projekt jadrovej fúzie je ešte trochu fascinujúcejší. Ide totiž o niečo, čo spája celý svet do spoločnej aktivity.

Máte aj iný vedecký záber? Čomu rád skúmate?

Venujem sa supravodičom pre rôzne aplikácie, teda nielen magnety. Napríklad káble na prenos energie alebo transformátory. Alebo nové, ešte výnimočne používané zariadenia – obmedzovače skratových prúdov. Je zaujímavé vidieť, čo všetko sa dá dosiahnuť, čo všetko sa dá vylepšiť. Kolega pracuje na návrhu elektromotora pre elektrické lietadlo. Aj to je fascinujúce vidieť, ani sa nemusím toho výskumu priamo zúčastniť.

Ako ste sa dostali k svojmu povolaniu?

K výskumu som sa dostal postupnými krokmi. Na Strednej priemyselnej škole dopravnej som študoval odbor elektrická trakcia – teda vlastne lokomotívy, električky, trolejbusy a tak podobne. Nakoniec som sa rozhodol pokračovať v štúdiu na Žilinskej univerzite v podobnom odbore. To som ešte netušil, že ma zláka výskum. Počas štúdia som začal brigádovať na Elektrotechnickom ústave SAV a napokon som tu robil aj diplomovú prácu, ešte stále súvisiacu s lokomotívami, ale už aj supravodičmi. A k samotnej jadrovej fúzii som sa dostal až počas mojej stáže v nemeckom Karlsruhe. Tak ďaleko som samozrejme počas strednej školy nedovidel. S odstupom času viem, že ešte aj dnes používam niektoré veci, čo som sa naučil na priemyslovke. Takže každý spomínaný krok vnímam ako užitočný.

Michal Vojenčiak
V testovacej cievke počas stáže v Karlsruhe. Cievka je len zmenšenina (zhruba 1:3) cievky pre reaktor ITER.

Čo je dôležité všímať si – a čím sa riadiť – pri výbere svojho povolania?

Myslím si, že vždy treba chodiť po svete s otvorenými očami, vnímať svet okolo seba. Denne stretávame a vidíme množstvo ľudí v rôznych povolaniach. Šofér autobusu, predavačka, lekár, učiteľ, automechanik, elektrikár… A ďalšie množstvo z nich je skrytých za ďalšími vecami, ktoré používame. Most, po ktorom denne chodím, musel niekto navrhnúť, niekto postaviť a niekto ďalší na ňom urobil osvetlenie. To, že po niektorých profesiách je väčší dopyt, je tiež súčasťou celkového obrazu. Keď časom zistím, ktorá oblasť ma zaujíma viac, tak tam treba ísť. Nie je dôležité, čo zaujíma spolužiaka alebo suseda, skôr to, čo zaujíma mňa. Je to individuálny výber každého z nás.

Oplatí sa venovať vede a technike?

Technika je dnes všade okolo nás, aby nám uľahčila život. Takže áno, určite sa jej oplatí venovať. Na to, aby sme ju využívali správne, treba jej rozumieť. A prípadne ju vylepšiť. Alebo dokonca posunúť hranice toho, čo je možné ďalej. Ten posledný stupeň sa volá výskum. Nie je to niečo, čo je ďaleko. Je to prirodzená súčasť techniky a dôkaz toho, že technické odbory sú živé. A to je jedna z tých vecí, ktoré ma na nej bavia a prečo si myslím, že sa jej oplatí venovať. 

Na začiatok skúste zapojiť žiarovku a vypínač, na konci môžete napríklad programovať riadiacu jednotku nejakého stroja, opraviť elektromotor alebo vlastnoručne vyrobiť tranzistor.

Ako vyvážiť prírodné, technické, spoločenské a humanitné vedy? Mala by sa preferovať iba jedna oblasť?

Všetky tieto vedné odbory sú potrebné. Každá oblasť potrebuje odborníkov, aby sme sa mohli ako spoločnosť rozvíjať. Znovu sa trochu vrátim k strednej škole. V tom čase som si vravel: „Načo mi je vedieť gramatiku angličtiny, veď chcem opravovať lokomotívy?“ Dnes ju používam denne. Podobne: „Načo mi je chémia?“ Dnes potrebujem vedieť aspoň základy, aby som mohol diskutovať s kolegami o výrobe supravodičov. Často potrebujeme odborníkov z úplne inej oblasti už len preto, aby nám mal kto vysvetliť základy a princípy. Samozrejme, v dnešnom technickom svete mne ako technikovi pripadá technické vzdelanie ako niečo úplne prirodzené (úsmev). Hoci štatistiky ukazujú, že to také prirodzené nie je.

V čom spočíva čaro elektrotechniky? Ako sa s ňou najlepšie zoznámiť?

V tomto sa zase nemôžem vyhnúť osobnému pohľadu. Podľa mňa sa treba s elektrotechnikou zoznámiť experimentálne. Na začiatok skúste zapojiť žiarovku a vypínač, na konci môžete napríklad programovať riadiacu jednotku nejakého stroja, opraviť elektromotor alebo vlastnoručne vyrobiť tranzistor. Elektrotechnika je krásna aj v tom, že pokrýva veľmi širokú oblasť. Môže byť bezpečná, takže aj deti sa môžu hrať so stavebnicou. Zároveň sa tie isté javy, len v inom meradle, prejavujú napríklad v generátore elektrárne, ktorá zásobuje energiou celé mesto.

foto: archív M. Vojenčiaka