Termojaderná fúze v soukromých rukách

Běžně se koncepty dobývání termojaderné energie pro průmyslové cíle dělí podle přístupu na magnetické a inerciální. Určitě bychom objevili i další způsoby, jak fúzní bojiště rozdělit. Co třeba na fúzi státní a soukromou? Myslím tím, zda je výzkum fúze financovaný státními institucemi nebo soukromými prostředky. O dvou příkladech jsme již psali: Polywell společnosti EMC2 Roberta Bussarda a kompaktní reaktor Thomase J. McGuireho ve Skunk Works známé firmy Lockheed Martin. O Tokamak Solution z Culhamu, dnes Tokamak Energy, jsme se jen zmínili. Podívejme se na další.

220 pístů a dvě trysky

Staveniště ITER, který je bezesporu reprezentativním představitelem magnetické fúze financované státními prostředky, nedávno přivítalo zajímavou návštěvu. Z daleké Kanady přijel 23. ledna 2017 vysvětlovat odborníkům ITER Organization svoji myšlenku Michel Laberge, zakladatel privátní firmy General Fusion. Pro každého, kdo je obeznámený s magnetickou fúzí a tokamaky, je přístup General Fusion velmi exotický: Žádná vakuová komora, žádné supermagnety, na které jsou v ITER zvyklí, ale plazmoid, stejně jako Tri Alpha či Helion Energy. Jen poněkud jinak generovaný. Koule o průměru tři metry obsahuje tekutou směs lithia a olova. Jak koule rotuje, vytvoří směs na vnitřním povrchu koule vrstvu s vírovým trychtýřem na ose rotace. Do této trubice vstříknou dvě trysky proti sobě (shora a zespodu) zmagnetizovaný plazmoid. Zvnějšku se do vrstvy tekuté kovové směsi opřou písty, které současně vystřelí a vytvoří tak v kovové kapalině rázovou vlnu o rychlosti 50 m/sekundu, která spěchá do středu komory, zatímco čelo vlny roztaveného kovu stlačuje plazmoid vytvořený spojením injektovaných plazmoidů až do termojaderných parametrů. V současnosti se používá 200 pístů, ale připravuje se zařízení s dvojnásobným počtem.

Plazmoid

Plazmoid žije krátkou dobu (~500 mikrosekund). Nathan Gilliland, CEO General Fusion (Chief Executive Office), říká: „Elektrický proud v plazmoidu je jako vzduchový vír v prstýnku kouře, který kouř udržuje právě ve tvaru prstýnku (toroidu).“ Za relativně dlouhou dobu života plazmoidů je odpovědná zvláštní konfigurace magnetického pole zvaná RFC – Reverse Field Configuration, která dokáže udržet nabité částice v oblasti prstence. Plazmoidy existují v přírodě i v laboratoři. Kulový blesk, ale také Reversed Field Pinch podobný tokamaku (například v Padově v Itálii), sféromak, fokusy hustého plazmatu – to vše jsou různé podoby plazmoidů.

Víry se ale postupně utlumí a prstýnek dýmu se rozplyne. Ve středu koule generuje fúze v plazmoidu neutrony, které se rozletí všemi směry, tedy i do roztavené směsi olova a lithia. Neutrony interagují s lithiovými atomy. Lithium se štěpí na helium a tritium a tím ohřívá okolní olovo s lithiem. Neutrony, které doletí až k ocelové stěně nádoby, mají už tak málo energie, že stěnu poškodí jen minimálně. Horká směs olova a lithia se přečerpává primárním chladicím okruhem skrze výměník tepla a posléze se chladná pumpuje zpět do reakční komory.

Elektřina přímo z fúze

Pulzní režim považuje skupina General Fusion za výhodu, neboť druhý fúzní produkt, elektricky nabité alfa částice, mohou v principu generovat elektřinu přímo bez mezistupně parogenerátorů a tedy laciněji a účinněji. General Fusion evidentně počítá s deuterio-tritiovou reakcí.

Celý nápad je recyklovaný LINUS z Naval Research Laboratory in Washington, D. C. z let 1970-1980 a dnes se nazývá Magnet Target Fusion, MTF (Fúze zmagnetovaného terčíku). M. Laberge a spol. postavili stroj, který vypadal jako typický představitel extravagantního kulturního směru zvaného steampunk a připomínal gigantického mořského živočicha. (Uznávaným zakladatelem směru „steampunk“ je Bořivoj Zeman, autor řady filmů inspirovaných Julesem Vernem (Vynález zkázy, Tajuplný hrad v Karpatech, Baron Prášil aj.).)

Jak chtějí uspět s investicí několika desítek nebo stovek miliónů dolarů při počtu zaměstnanců  nezřídka dosahujícím několika tuctů odborníků - to je otevřená otázka. Otázka, která v pondělí 23. ledna napadla všechny přítomné v amfiteátru ITER.

Magnet Target Fusion zkouší za státní peníze i Los Alamos National Laboratory ve spolupráci s Air Force Research Laboratory. Když se vrátíme ke standardnímu dělení přístupu k řízené termojaderné fúzi na magnetickou (MCF) a inerciální (ICF), tak MTF je někde mezi nimi, trochu blíže k ICF než k MCF. Pro deuterio-tritiovou směs o teplotě 200 miliónů stupňů pracuje MCF s hustou cca  10¹⁴ cm^-3, dobou udržení 1 s, ICF potřebuje hustotu 10²⁵ cm^-3 a dobu udržení 1 ns (10^-9 s), zatímco MTF „stačí“ hustota 10¹⁹ cm^-3a doba udržení 1 μs (10^-6s).

HELION ENERGY Inc. a tajemná TRI ALPHA ENERGY

Ohříváním zmagnetovaného plazmoidu se zabývají přinejmenším další dvě skupiny. Helion Energy Inc. a tajemná (nepublikuje, nekomunikuje) Tri Alpha Energy, obě ve Spojených státech. Obě používají lineární zařízení, kde dvě trysky vystřelí jednou za sekundu dva plazmoidy proti sobě do kompresní komory, v níž se oba plazmoidy spojí do jednoho. Ten je vzápětí stlačený silným magnetickým polem. U Helion Energy je ohřátý šesti svazky neutrálních vysokoenergetických atomů (což je u tokamaků známý dodatečný ohřev NBI (Neutral Beam Injection). Vylétávající α-částice mají opět sloužit k přímé přeměně fúzní energie na energii elektrickou. Zatímco Helion Energy, vedlejší produkt společnosti MSNW LLC z Redmondu, která vyvíjí pohony raket a technologie příbuzné fúzní energii, ve svém zařízení Fusion Engine používá helium 3 (dva protony a jeden neutron v jádře), největší kalifornská soukromá společnost zabývající se termojadernou fúzí Tri Alpha Energy uvažuje ve svém zařízení C-2U o bóru. Helium 3 se na Zemi vyskytuje sporadicky a nejbližší „nevyčerpatelné“ zásoby jsou na Měsíci. Bór naproti tomu vyžaduje k zapálení fúze s protonem 10× větší teplotu než fúze deuteria s tritiem, s kterou se počítá v tokamaku ITER. Současné zařízení Tri Alpha Energy  C-2U má délku tenisového kurtu. Podle Glena Wurdena, vedoucího skupiny plazmatu v Plasma Physics Group v Los Alamos National Laboratory (LANL) v Novém Mexiku, který ústav navštívil: „ Je to nádherná mašina!“

Určitě vás napadne, že kritickou částí jmenovaných zařízení je jednotka, která zajistí synchronizaci dvou, a v případě General Fusion dvouset trysek/pístů. Například zařízení Fusion Engine společnosti Helion Energy Inc. používá poslední výkřik polovodičové spínací techniky používaný též u větrných turbín.

Vraťme se do Cadarache k rostoucímu tokamaku ITER. Setkání největšího vědeckého projektu s malým, chtělo by se říci zapomenutým, startupem v západní Kanadě předvedlo v závěru jednacího dne 23. ledna, že nadšení snílkové a seriózní badatelé kupodivu mluví společnou řečí.

Kresby: Milan Řípa

Obrázky:  ITER Org.