Soukromé tokamaky

Při pohledu na mapu soukromých společností, které si vytkly ušlechtilý cíl zapálit termojadernou fúzi, se nevyhnu pocitu, že perspektivní se jim jeví spíše udržení inerciální, než magnetické - nanejvýš hybrid mezi těmito přístupy. Udržet pohromadě něco tak nestabilního, jako je plazma – ionizovaný plyn – stojí moc peněz. Přes 20 miliard euro (někdy narazíte na odhad dokonce dvojnásobný) spolyká drobeček ITER, který většinu investic věnuje právě cívkám vytvářejícím udržující magnetické pole. To raději bez magnetického pole: vystřelit, odčerpat energii uvolněnou sloučením atomových jader a rychle od neposlušného plazmatu pryč. A znovu a znovu. Zkrátka všechno stihnout díky pulznímu režimu dříve, než zhoubné nestability rozpráší termojaderné medium do prostoru. A přesto, nejméně dvě soukromé společnosti se pokoušejí přizpůsobit známý tokamak: Tokamak Energy, Culham, UK, a Plasma Science and Fusion Center, Massachusets Institute of Technology, MIT, USA. Nejsou tak zcela soukromé, ale na projekty, které si vymyslely, se budou zřejmě muset poohlédnout po privátním investorovi.

Obě zmíněné „firmy“ vyrostly na půdě historií prověřených středisek zabývajících se fúzním výzkumem. Culham Science Centre, nemusím dlouze představovat, stačí jediné slovo: JET. Joint European Torus, nejslavnější a největší tokamak na světě (psali jsme o něm v článku http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1973-soucasnost-a-budoucnost-evropskeho-fuzniho-reaktoru-jet). MIT za Atlantikem provozuje Alcator C Mod, tokamak s nejsilnějším magnetickým polem, který je sympatický i tím, že na odhalování tajemství fúze se v MIT účastní značné množství studentů.

Tokamak Energy, TE

Společnost Tokamak Energy byla původně založena v roce 2009 pod názvem Tokamak Solution, aby navrhovala a vyvíjela malé kulové tokamaky (Spherical Tokamaks) a kompaktní fúzní reaktory pro celou řadu použití. Od roku 2012 tato strategie našla nový cíl – stavbu pilotního zařízení, které by překročilo fúzní energetický zlom/vyrovnání (fusion energy breakeven). V Culham Science Center postavili dva tzv. kulové tokamaky. První se jmenoval START a druhý MAST. Tento typ tokamaku, který se vyznačuje nezvykle velkým poloměrem trubice (0,6 m) ve srovnání s poloměrem celé komory (0,9 m) oproti standardním tokamakům, má stabilnější plazma, což vede k vyššímu tlaku v plazmatu udržovaném stejným magnetickým polem a tím i k vyššímu fúznímu výkonu. Kulové tokamaky jsou tedy ve srovnání s klasickými tokamaky účinnější. Teoretické výpočty ukazují, že kulový tokamak používající silné magnetické pole vyrobené vysokoteplotními supravodiči (HTS, high temperature superconductors), by mohl být podstatně menší než obdobná, nyní běžně používaná fúzní zařízení. Například elektrárna s kompaktním kulovým tokamakem by měla reaktor o objemu až 100-krát menším než elektrárna s ITER. Velikost hangáru by se smrskla na rozměr obývacího pokoje. Objevuje se tak významná komerční příležitost, takže společnost hledá fondy na vývoj.

Pikantní je, že díky tokamaku MAST (Mega Amp Spherical Tokamak) má Praha moderní tokamak Compass. Ten byl po zprovoznění MAST v Culhamu opuštěn a zahálel. Nebyli lidé, nebyly peníze a tak ho všemi deseti po vítězném konkurzu převzal Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i.

Firma Tokamak Energy má plán

1. postavit malý prototyp tokamaku pro předvedení konceptu,
2. postavit tokamak se všemi magnety navinutými z vysokoteplotních supravodičů (dokončeno v roce 2015),
3. dosáhnout fúzní teploty v kompaktním tokamaku (v roce 2017 chce dosáhnout 100 miliónů stupňů),
4. dosáhnout energetického vyrovnání (vědeckého zlomu, breakeven); alespoň takovou výstupní energii, jaká se vkládá do udržení fúzních reakcí, chce dosáhnout v letech 2020 až 2021,
5. poprvé vyrobit elektřinu.

Od toho okamžiku bude možné pokračovat ve stavbě spolehlivé, ekonomické fúzní elektrárny. Uzavřít neuvěřitelně nepřátelské plazmové prostředí do zařízení po dobu životnosti trvající desítky let, je sama o sobě úžasná inženýrská výzva.

Dnes se Tokamak Energy nachází v bodě 3 svého plánu a staví nový tokamak, ST40 v Milton Park, Oxfordshire. Měl by ukázat, zda lze fúzní teploty dosáhnout v malém tokamaku. Přístup Tokamak Energy se liší od přístupu podporovaného z veřejných peněz. Generuje výsledky a vytváří tak účinnou šroubovici – pokud TE splní cíl, dostane více peněz, aby dosáhla dalšího cíle, posune se do dalšího patra šroubovice... Začátkem roku 2017 byl z komory ST40 vyčerpán vzduch. ST40 nemá supravodiče, ale chce dosáhnout fúze v tokamaku mnohem menším než je JET.

Affordable, Robust, Compact – tokamak z MIT

MIT měl k tokamakům s mimořádně silnými magnetickými poli blízko již v minulosti. Počátek můžeme hledat v sedmdesátých letech minulého století ve společnosti Inesco pánů R. Bussarda a B. Coppiho, kteří uvažovali o Rigatronu, jehož cívky by byly umístěny uvnitř (Sic!) vakuové komory. Bussarda zaujal mladý Coppi ve Varenně v roce 1961, kde Coppi končil PhD a Bussard přednášel o jaderném pohonu raket. Bussard pomohl Coppimu nalézt práci v USA. Coppi začal v Princetonu, aby zakotvil v MIT, kde zaujal svým nápadem tokamaků relativně malých avšak se silným magnetickým polem (o kterých slyšel od Arcimoviče, který byl v roce 1969 v MIT na stáži). Bussard spolu s Coppim zapsal společnost International Nuclear Energy System Company – INESCO. Překvapený Coppi sdělil kolegovi, že italské sloveso „innescare“ v první osobě jednotného čísla má tvar „Io innesco“, což znamená „Já zapaluji“! Dobré znamení pro společnost zabývající se zapálením plazmatu v tokamaku. Nicméně firma nevydržela. Bruno Coppi po rozpadu Inesca zůstal v MIT a postavil řadu tokamaků Alcator (Alto Campo Torus – italsky „torus se silným polem“), z nichž Alcator C měl nejsilnější magnetické pole v tokamacích vůbec. V roce 2010 Coppi koketoval s ruským Troitskem ohledně stavby svého snu – tokamaku Ignitor („ignite“ – zapálit). Berlusconi dokonce s Putinem podepsali smlouvu o spolupráci. Není tedy divu, že se idea dalšího navýšení intenzity magnetického pole tokamaku objevila právě na půdě MIT. (O počátcích výzkumu Bussarda a Coppiho jsme psali v článku http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/527-termojaderna-fuze-jako-podnikatelsky-zamer.)

Pokrok v supravodičích

Je známo, že ztráty energie plazmatu v tokamaku lze snížit buď zvětšováním objemu, kdy ztráty klesají se čtvercem lineárního rozměru, nebo je možné použít silnější magnetické pole, kdy naopak výkon reaktoru roste se čtvrtou mocninou intenzity magnetického pole. Velké nové tokamaky generují magnetické pole výlučně supravodivými magnety. MIT se opírá o razantní pokrok ve vývoji supravodičů, které chce využít v navrhovaném tokamaku. Výkon magnetů vychází z druhé generace supravodičů vyrobených ze vzácné zeminy a barnato-měďnatého oxidu. Nazývá se REBCO (Rare Earth Baryum Copper Oxide), může fungovat při vyšších teplotách a intenzitách magnetického pole než většina současných supravodičů. Ve srovnání s ITER by byl projektovaný tokamak „cenově dostupný, robustní, kompaktní“. ACR (Afforable Robust Compact) téměř zdvojnásobuje intenzitu magnetického pole, od špičkové hodnoty 13 T pro ITER ke 23 T pro ARC 23!

„Existuje jistá setrvačnost ohledně magnetického přístupu k fúzním reaktorům a odpovídající technologii, kterou komunita používá,“ říká prof. Dennis Whyte, vedoucí oddělení v MIT, „…ale nová supravodivá technologie za poslední tři či čtyři roky učinila doslova skok kupředu. Dokonce od té doby, co jsme odstartovali projekt, se možnosti supravodivé technologie dále zlepšily. Návrh našeho nového reaktoru je podobný běžnému tokamaku toroidálního tvaru – mnohem podobnější ve srovnání se současnou generací, jako jsou kulové tokamaky NSTX v Princetonu, N.J., a ST25 v Milton Park­ ve Spojeném království.“ Dennis Whyte dál pyšně vypráví, jak studenti sami neustále přicházejí s novými nápady – jako např. vysokoteplotní slitiny, modulární 3D-tisknuté návrhy středu zařízení či chytřejší chladicí žebra, která by mohla dvakrát zvýšit chladicí kapacitu. Studentů se pohybuje v laboratořích fúzní divize MIT každý den kolem třiceti. Co je tak přitahuje? Whyte je stručný: „Je to úžasná doba pro inženýry.“

Bude ITER zastaralý, než se dostaví?

Velké nebezpečí dlouhodobé stavby nejmodernější technologie spočívá v tom, že v době, kdy bude zprovozněna, nebude už nejmodernější! Čeká to snad tokamak ITER, který se staví prakticky od roku 2010 a první plazma nebude dříve než v roce 2025? Výzkum v satelitních tokamacích neustále probíhá a je zaměřen na mapování předpokládaných režimů ITER, vyvíjejí se technologie, které nejsou specifické jen pro ITER – příkladem jsou účinnější supravodiče REBCO. Až zahoří první plazma ve vakuové komoře tokamaku ITER, určitě bude komplikované zařízení v některých částech již překonané. Ale základní technologie plození tritia, ohřev plazmatu alfa částicemi, provoz tokamaku v režimu dlouhých pulzů, nikde jinde vyzkoušet nelze. Použití materiálů a techniky, kterou nestačil ITER absorbovat, čeká na jeho následníka – zkušební termojadernou elektrárnu DEMO.

Foto: ITER Org a FJFI.