Tokamak SPARC

Když jsem v jedné z kapitol knížky Soukromý kapitál ve výzkumu řízené termojaderné fúze (vydané Akademií věd ČR v roce 2017) psal o tom, že známý MIT (Massachusets Institute of Technology) se snaží z "laboratorní novinky osmdesátých let minulého století“ (vysokoteplotních supravodičů REBCO (Rare Earth Baryum Copper Oxide) vytvořit komerční produkt použitelný kupříkladu v tokamaku, hledal MIT investora pro tokamak založený na REBCO supravodičích. Mluvilo se o projektovaném „cenově dostupném, robustním a kompaktním tokamaku“ ARC (Affordable Robust Compact) s téměř dvojnásobnou indukcí magnetického pole 23 Tesla ve srovnání se špičkovou hodnotou 13 Tesla v centrálním solenoidu tokamaku ITER. A hle! Dnes se společnost Commonwealth Fusion Systems (CFS) za pomoci 50 milionů dolarů italské firmy Eni pustila do projektu, na jehož konci by měl být tokamak s vysokoteplotními supravodiči YBCO (ytrium-baryum-copper-oxide).

Univerzita + firma = nový typ partnerství

Před očima tu vzniká nový model financování stavby tokamaku: za státní peníze probíhá výzkum určité komponenty, aby pak soukromá firma na smluvním základě využila výsledků státem podporované výzkumné instituce a postavila zcela nový typ energetického zdroje. Doposud soukromé firmy zabývající se termojadernou fúzí od samého počátku samy financovaly ze soukromých či státních zdrojů vývoj i stavbu fúzních zařízení na zcela novém nebo z minulosti oprášeném principu. Dnes pozorujeme významný posun k principům v současné době nejúspěšnějšího fúzního zařízení - tokamaku. Existují nejméně tři soukromé firmy, které navazují na desítky let zkušeností s tokamaky: Tokamak Energy a Applied Fusion Systems z anglického Culhamu a nyní nově Commonwealth Fusion Systems (CFS) z okolí amerického MIT.

„Díky této dohodě uskutečnila naše firma Eni významný krok směrem k rozvoji alternativních zdrojů energie. Fúze je skutečným zdrojem pro budoucnost, neboť je zcela udržitelná, principiálně jaderně bezpečná, neprodukuje škodlivé emise nebo dlouhodobý radioaktivní odpad a je potenciálně surovinově nevyčerpatelná,“ říká generální ředitel italské investorské společnosti Eni Claudio Descalzi. Firmu Eni angažoval Commonwealth Fusion Systems.

Novinka se bude jmenovat SPARC

Centrum pro vědu o plazmatu a fúzi MIT (Plasma Science & Fusion Center) vyvinulo koncept nového kompaktního tokamaku a nazvalo ho SPARC. SPARC bude mít rozměry středně velkého fúzního zařízení (hlavní poloměr 1,65 m, menší 0,5 m) ale s mnohem silnějším magnetickým polem (12 T) a proudem v plazmatu 7,5 MA. Měl by produkovat 50-100 MW fúzní energie v desetisekundových pulzech a dosáhnout koeficient zesílení Q téměř 3 (to znamená vyrobit třikrát větší výkon, než jaký se do reakce vloží).  To by bylo poprvé, co by tokamak dosáhl energetického zisku. Teplo se zatím na elektřinu přeměňovat nebude - ale bylo by jí tolik, že by mohla zásobovat malé město. V návaznosti na předpokládaný úspěch experimentu se zařízením SPARC by se postavilo zařízení již dodávající elektřinu - ARC (Affordable, Robust, Compact, tak se jmenuje první návrh Dennise Whyteho).

CFC je členem MITEI

Commonwealth Fusion Systems (CFS) je soukromá společnost, která spolu s iniciativou MIT Energy Initiative (MITEI) vytvořila nový typ partnerství universitního a průmyslového prostředí. Spolupráce společnosti MITEI a CFS by měla posílit vědu, výzkum a výuku jaderné fúze v MIT a současně vypěstovat silného a zkušeného průmyslového partnera. Jeho postavení by mělo být takové, aby dokázal přenést universitou vyvinutou technologii uvolňování energie jadernou syntézou do reálného světa. „MITEI vytvořila možnosti připravené na tělo energetickým start-upům v oblasti energetiky. CFS je první společností, která se stala součástí tohoto nového programu,“ říká ředitel MITEI, Robert Armstrong, profesor chemického inženýrství v MIT. „Kromě toho, že poskytujeme přístup k významným zdrojům a zkušenostem či možnostem institutu, je členství navrženo tak, aby seznamovalo začínající podniky s energetickými společnostmi a jejich rozsáhlými znalostmi energetického systému.“

Finance jsou klíčové

Začínající podniky (start-upy) v energetice potřebují značné finanční prostředky na výzkum a vývoj technologie z počátečního stadia až do stavu, kdy se může uvést na trh. Tradiční formy financování v počátečním stavu, kupříkladu bankovním úvěrem, jsou neslučitelné s dlouhou dobou čerpání i kapitálovou výší, na kterou jsou investoři zvyklí a na kterou jsou ochotní přistoupit. „Vzhledem k povaze podmínek potřebných k zapálení fúzních reakcí je třeba začít se škálovatelnými modely,“ upozorňuje Martin Greenwald, patřící spolu Dennisem Whytem a Zachary Hartigem do zakladatelské trojice celého projektu: „To je důvod, proč je tato spolupráce mezi universitním a průmyslovým sektorem nezbytná, aby se vybraná technologie mohla rychle posouvat dopředu. To určitě není příklad tří inženýrů, kteří se rozhodli v garáži postavit novou aplikaci!“

Supravodivé magnety

Větší část počáteční etapy financované CFS bude mít za cíl výrobu nových supravodivých magnetů. Ačkoli je skupina pochopitelně přesvědčena o úspěchu své práce, Greenwald dodává: „Náš optimismus neznamená, že se jedná o triviální úkol. Keramické supravodiče existují od osmdesátých let, a teprve nedávno se objevila jejich komerční podoba, což svědčí o náročnosti našeho úkolu.“ Greenwald poukazuje však na to, že jinde používali tento supravodivý materiál pro jiné účely, které vyžadovaly dvojnásobnou indukci magnetického pole, než bude zapotřebí pro tokamak s vysokoteplotními supravodiči – pro tokamak SPARC. Ačkoliv tyto magnety se silným magnetickým polem byly oproti magnetům tokamaku SPARC malé, potvrzují principiální proveditelnost konceptu. 17. prosince 2017 dosáhli v National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) se supravodičem YBCO magnetické indukce 32 T. Magnety, používající supravodivý materiál REBCO/YBCO, který se nedávno stal komerčně dostupným, vytvoří magnetické pole čtyřikrát silnější, než jaké bylo dosud použito v jakémkoli fúzním experimentu s magnetickým udržením. To umožňuje více než desetinásobné zvýšení výkonu při dané velikosti. Neboli naopak: dovolí zmenšit rozměry tokamaku při zachování jeho výkonu. „Použijeme magnety vyrobené z nově komerčně dostupného supravodivého materiálu – ocelovým pláštěm potažené látky zvané yttrium-baryum-copper-oxidu (YBCO). Tokamak SPARC vybavený tímto supravodičem je navržen tak, aby vyráběl pětinu výkonu projektovaného tokamaku ITER, ale v zařízení, které má asi jen 1/65 objemu vakuové komory ITER.“ říká Zach Hartwig, asistent profesora jaderné vědy a inženýrství v MIT.

Magnety do tří let

„Vývoji supravodivých magnetů pro tokamak SPARC chceme věnovat zhruba tři roky – vývoj v MIT a jinde financuje federální vláda. Jakmile zvládneme technologii magnetu, následuje další krok spočívající v návrhu tokamaku SPARC, který vychází z poměrně přímočarého vývoje existujících tokamakových experimentů,“ prozrazuje Whyte. Výzkumný projekt se zaměřuje na využití vědeckých poznatků a odborných znalostí, které byly shromážděny během desetiletí výzkumů financovaných vládou – včetně práce v MIT od roku 1971 do roku 2016, s tokamakem Alcator C-Mod a jeho předchůdci – to vše v kombinaci s dobře finančně zajištěnou právě nastartovanou společností CFS. Whyte, Greenwald a Hartwig věří, že tento přístup by mohl výrazně urychlit vstup na trh fúzním technologiím – takže bychom ještě stačili zabránit změně klimatu. "Hledáme technologii, která bude hrát významnou roli v energetickém mixu za 10 až 20 let. Dnes energetickou síť zásobují dvou až třígigawattové uhelné nebo štěpné jaderné elektrárny. Rádi bychom brutálně zaplavili trh menšími, modulárními elektrárnami o výkonu 100 až 500 megawattů,“ říká Hartwig.

Nižší náklady, rychlejší stavba, modulární systém - příležitost pro "chudší" investory

Výhoda vysokoteplotního supravodiče YBCO spočívá v drastickém snížení nákladů, ve zkrácení doby výstavby a zjednodušení organizace potřebné pro vybudování reaktoru, což umožňuje vstup na pole termojaderné fúze méně movitým hráčům a otevírá tak dveře k termojaderné fúzi jak univerzitním, tak soukromým společnostem. Jsou zde i další výhody: komponenty, které byly tak veliké, že se musely vyrábět na místě, se mohou vyrábět v továrně a na místo stavby elektrárny přepravovat; pomocné systémy pro chlazení a další funkce by mohly být úměrně zmenšeny; celková cena a čas pro projektování a výstavbu by se tak razantně snížily.

Tokamak je základ

Projekt SPARC vychází z principu tokamaku, který byl objeven v Moskvě a studován a zdokonalován na světě celá desetiletí. Včetně práce v MIT, která začala sedmdesátých letech, vedená profesory Brunem Coppim a Ronem Parkerem. Pánové postavili řadu fúzních experimentů se silným magnetickým polem. Od té doby byla v MIT silná pole provozována a jejich tokamaky dosáhly řadu světových rekordů.

Zpožďování může být kritickou nevýhodou

„Pokroky v supravodivých magnetech přiblížily energii jaderné syntézy na dosah a nabízejí vyhlídku bezpečné, bezuhlíkaté energetické budoucnosti,“ říká prezident MIT L. Rafael Reif. V tomto okamžiku je na místě si připomenout nevýhodu, kterou má jinak grandiózní dílo – mezinárodní tokamak ITER. Zpožďování při jeho stavbě je pochopitelné, všechna velká díla měla zpoždění, ale pokroky ve fúzní technologii mezitím pokračují a ITER je nemůže v důsledku vysoké rozestavěnosti využít. Velmi přehnaně řečeno: v Cadarache se staví zastaralé zařízení. Podobně je škoda, že připravovaný nový tokamak v Praze, COMPASS U, použije pro magnety klasickou měď chlazenou tekutým dusíkem.