Společnost Tokamak Energy zahájila inženýrskou etapu v dobývání termojaderné fúze

Za soukromé peníze se staví zařízení dvou základních typů. Jednak jsou to modifikovaná zařízení principů v minulosti opuštěných, sázející dnes na nové materiály, technologie a případně prověřené postupy dodatečného ohřevu: Helion Energy, Tria Alpha Energy, General Fusion atd. Druhá skupina vychází z nejúspěšnějšího současného zařízení - tokamaku. K nim patří Applied Fusion Systems a Tokamak Energy. Obě společnosti pocházejí z Anglie a obě vsadily na kulové tokamaky. Kulové tokamaky totiž slibují menší rozměry při stejném výkonu. Malé rozměry (a nízké náklady) reaktoru jsou mantrou všech soukromých společností zabývajících se fúzí. (O soukromém výzkumu jaderné fúze jsme již psali např. zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2012-termojaderna-fuze-v-soukromych-rukach nebo zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2103-richard-dinan-prvni-soukromy-investor-do-fuze-v-evrope nebo zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1838-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-osma)

Zdánlivě překvapivě společnost Tokamak Energy jmenovala v listopadu 2017 novým generálním ředitelem bývalého výkonného ředitele Rolls Royce Jonathana Carlinga. Vystřídal fyzika Davida Kinghama. Má za cíl pomoci společnosti přejít z fyzikálních experimentů na komerční energetický zdroj. Může inženýr oboru očividně dosti vzdáleného od termojaderné fúze pomoci společnosti vyřešit problémy natolik, aby se stala poskytovatelem fúzní energie do sítě za méně než deset let? Toť otázka, na kterou se obtížně odpovídá. Významná stavba mezinárodního gigantu ITER prostřídala diplomata Kaname Ikedu  s profesorem fyziky Osamu Motojimou a skončila u obratného manažera Bernarda Bigota. A to pochopitelně není všem dnům konec. Tokamak Energy naznačuje, že skončila etapa fyzikálních výzkumů a na řadě jsou závěrečné inženýrské otázky. Že by už závěrečné otázky před stavbou ziskového fúzního reaktoru?

Co nového ředitele čeká?

Společnost Tokamak Energy byla založena v roce 2009 pod jménem Tokamak Solution výzkumnými pracovníky z Culham Fusion Research Group s cílem rozlousknout jadernou fúzi do roku 2025 zdokonalením sférického tokamaku. Tokamak společnosti Tokamak Energy používá pro vytvoření silného magnetického pole potřebného k zachycení elektricky nabitých částic plazmatu novinku - vysokoteplotní supravodiče. Nabité částice fúzují a uvolňují tak energii potřebnou k udržení teploty plazmatu. Jonathan Carling říká: „Společnost Tokamak Energy dosáhla stádia, kdy se může opřít o solidní vědeckou základnu. Řada klíčových úkolů se nyní týká inženýrských řešení a vývoje rámce činnosti pro fúzní energii. Ve své kariéře jsem pracoval často s novými technologiemi a odpovídajícím inženýrstvím jsem je přivedl do stadia, kdy je společnost mohla skutečně využít a provozovat na komerčním základě. To je fáze, v níž se společnost Tokamak Energy nachází, a myslím, že je to docela vzrušující etapa. Začínáme provozovat náš tokamak ST40, který by v příštím roce měl dosáhnout 15 milionů stupňů a čeká nás velký rozvojový program v roce následujícím. Bude skvělé pracovat s nadšeným týmem, protože všichni se připravujeme na vývoj výroby komerční energie z jaderné syntézy ještě před rokem 2030.“

Sférický tokamak a vysokoteplotní supravodiče

Dobrým příkladem novátorského řešení energie fúze náležící společnosti Tokamak Energy je sférický tokamak, který používá vysokoteplotní supravodivé magnety - což umožní vybudit v reaktoru mnohem vyšší magnetický tok, a tím postavit reaktor velmi kompaktní.

Vysokoteplotní supravodiče, které používá společnost Tokamak Energy, byly vynalezeny až v polovině 80. let, a teprve v posledních deseti letech byly tyto vysokoteplotní supravodivé pásky dostupné na trhu. Jejich cena již začíná klesat, ale stále existuje nepřehlédnutelné kvantum inženýrských vývojových prací, které je třeba vykonat, aby se z těchto pásů vyrobily cívky využitelné pro silné magnetické pole.

Supravodičové pásky REBCO (Rare Earth Baryum Cooper Oxide) tenké 0,1 mm jsou vyrobené ze sloučeniny oxidů vzácných zemin, barya a mědi. Jsou navinuté do cívek, které poskytují mnohem vyšší magnetické pole než jejich známí předchůdci Nb₃Sn či slitina Nb-Ti, fungují při vyšší teplotě (77 K, bod varu tekutého dusíku), při silnějším magnetickém poli a zároveň zabírají méně prostoru. Se supravodiči REBCO pracuje známý MIT (Massachusets Institut of Techology). MIT uvažuje o vlastním nízkonákladovém, robustním a kompaktním tokamaku ARC (Affordable Robust Compact), který počítá s magnetickým polem 23 Tesla (ITER bude mít 13 Tesla v centrálním solenoidu a 5 Tesla ve vakuové komoře).

Tokamak Energy je v oblasti  REBCO velmi aktivní: důkazem budiž více než 20 patentů. Magnetická laboratoř má dlouhodobý program vývoje výroby komerčních REBCO supravodičů. Jedna oblast  programu se týká dodavatelského řetězce vysokoteplotního supravodiče REBCO pro tokamak.

Carling pokračuje se svou vizí

„Co se samotného tokamaku týče - poslední reaktor, který jsme postavili, byl tokamak ST25 – první reaktor na světě, který předvedl tokamak fungující s vysokoteplotními supravodivými magnety. ST40 je větší zařízení jehož cílem je dosáhnout velmi vysoké teploty ve sférickém tokamaku, takže počátkem roku 2018 budeme ohřívat plazma na 15 milionů stupňů. Na konci příštího roku se budeme snažit dosáhnout další milník, kterým je plazma horké 100 milionů stupňů. V návaznosti na konec roku 2018 budeme usilovat o to, aby tokamak ST40 dosáhl v plazmatu téměř fúzních podmínek, to je kolem 150 milionů stupňů. Potom nás čeká zařízení ST200, kde chceme do roku 2025 demonstrovat kladný zisk energie z jaderné syntézy a konečně komerčně dostupnou energii z jaderné syntézy s cílem dodávat elektřinu do distribuční sítě do roku 2030.“

Každý krok programu společnosti Tokamak Energy představuje náročný vědecko-technický milník. Dosažení milníků bude důkazem uskutečnitelnosti programu a současně ubezpečí investory, že společnost je na správné cestě.

Malé fúzní reaktory se chystají soutěžit s malými štěpnými

Zařízení jsou mnohem menší než klasické tokamaky stejného výkonu a jedná se o soukromé financovaní - to dohromady tvoří přizpůsobivý celek. Při výrobě větších zařízení, nebo při snižování nákladů jinou cestou financování, kde by společnost byla závislá na grantech, nebyla by Tokamak Energy schopna postavit tolik prototypů, kolik jich potřebuje, a ani by nebyla schopna přijímat rozhodnutí tak rychle, jako dnes.

Idea společnosti podporuje modulární koncepci, takže elektrárna může mít více než jeden reaktor, jejich počet se může měnit podle velikosti potřebného výkonu. To dále naznačuje nejrůznější zajímavé možnosti, jako je hustší distribuční síť elektráren s nižšími náklady na přenos. Poskytuje také možnost nasazení v odlehlejších částech světa.

Protože štěpení jader atomů je starší technologie, existují již dobře rozpracované koncepty SMR (Small Modular Reactors, malé modulární reaktory), které by mohly fungovat dříve než fúzní SMR. Ale stále to jsou štěpné reaktory. Takže o dlouhodobém horizontu bychom mohli říci, že štěpné SMR by mohly být dočasným řešením, mohly by být užitečné v přechodném období, dokud se na trh nedostanou technologie fúzních SMR. Bude velmi zajímavé pozorovat vývoj jejich soutěžení.