Studenti doktorského studia na Ústavu energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze pomáhají výuce i popularizaci jaderné energetiky. Po zkušenostech s tvorbou virtuálního modelu jaderného reaktoru Cenelín nyní pracují na virtuálním modelu fúzního reaktoru Fúzelín.
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?
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.
Kontakt:
Ing. Vojtěch Smolík – Ústav energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze, E-mail: vojtech.smolik@fs.cvut.cz