Termojaderná fúze na rozcestí

Kdy už je termojaderné zařízení ziskové? To nám prozradí Lawsonovo kritérium: součin hustoty plazmatu a doby jeho udržení (stability) musí být dost velký, zhruba 10²⁰ s.m^-3. Pro spojitou činnost udržujeme plazma v omezeném prostoru silným magnetickým polem – ale máme pro získání dost vysoké hustoty a dost dlouhé doby udržení plazmatu dát přednost extrémním magnetickým polím co do konfigurace i intenzity, nebo většímu objemu plazmatu?

Z teorie plyne, že doba τ udržení plazmatu roste s velikostí magnetické intenzity a s objemem:

τ ≈ B² B je velikost udržujícího magnetického pole

τ ≈ L² L je lineární rozměr plazmatu

Když se v osmdesátých letech projektoval mezinárodní experimentální tokamak ITER, počítalo se s použitím v tu dobu špičkových nízkoteplotních supravodičů na bázi niobu a cínu, tedy s magnetickým polem intenzity jednotek tesla. K nim bylo třeba dodat na tu dobu značný objem plazmatu – řádově stovky metrů krychlových. Shodou okolností právě v té době byly objeveny vysokoteplotní supravodiče využívající oxidy vzácných zemin, baria a mědi – REBCO (Rare Earth Barium Cooper Oxide). Vysokoteplotní supravodiče jsou, co se týče generace magnetického pole, účinnější než nízkoteplotní, tehdy ale nebyly zdaleka na takové úrovni, aby je bylo možné využít při projektování tokamaku ITER.

Ovšem dnes je jiná situace. Tokamak ITER se blíží ke svému finále a vysokoteplotní supravodiče se objevují v návrzích termojaderných zařízení donedávna neznámých, privátních investorů. Není náhodou, že do konstrukce se pouští spíše soukromý sektor než sektor financovaný státem.

Magnetické pole nebo objem plazmatu?

Soukromé fúzní společnosti sázejí pro dosažení potřebné doby udržení energie na riskantní novinku - magnetické pole vysokoteplotních supravodičů-, zatímco státem financované národní laboratoře a univerzity ze setrvačnosti zůstávají u prověřeného velkého objemu plazmatu. Zařízení s vysokoteplotními supravodiči by díky silnějším magnetickým polím měla být menší a tudíž lacinější než obrovské stavby opírající se o metry krychlové plazmatu. Na tom úkolu pracují vědci více než půl století, přičemž k úspěšné komerční fúzní elektrárně zbývá možná ještě dalších padesát let; proč se tedy do tohoto úkolu pouštějí soukromníci? Důvodů bychom určitě našli více. Jeden z nich může být paradoxně rozestavěný tokamak ITER, který bývá často odpůrci uváděn jako příklad černé díry na peníze. Ovšem když se dnes podíváte na grandiózní stavbu, která se, pro někoho možná pomalu, nicméně přece jen blíží do finále, musí vás napadnout, že i výsledek musí být grandiózní. Nekonečná, bezpečná a relativně laciná energie je velkým hnacím motorem všech snažení. Zatímco dnes nikoho nepřekvapí soukromé podnikání v kosmickém průmyslu, který po materiální i personální stránce funguje řadu let, u řízené termojaderné fúze je to jinak, neboť dosud nikdo fúzní elektrárnu nepostavil.

Důvody zapojení soukromníků do výzkumu řízené termojaderné fúze (nejsou řazeny podle četnosti) mohou být:

-  uspokojení velkého ega,

-  chybějící pocit užitečnosti (zdání náhlé zbytečnosti – rostoucí nuda v povolání),

-  potřeba investování zahálejících prostředků,

-  zbytnělý optimismus nezbytný pro přesvědčení investorů: stačí to nebo ono a fúze bude do třech, nejvýše do pěti let vydělávat, nejlépe s reaktorem na nákladním autě (Pozn. autora: „Dávám jim rok, nanejvýše dva!“ Pamatujete na Jiřího Kodeta v Pelíšcích?)

Ony alternativní přístupy, o kterých dnes rádi novináři píší, protože tuší sensaci typu „tokamak ITER za miliardy je podvod“, jsou často oprášené a jenom různě pospojované; odborná literatura je nazývá „nekonvenční schémata minulosti“. Pravdou však je, že nové poznatky a technologie mohou již jednou opuštěným návrhům znovu vdechnout nový život.

O privátní fúzi jsme psali v Třípólu již několikrát, např. https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2381-infuse, existuje i přehledná publikace https://www.3pol.cz/cz/rubriky/recenze/2042-veda-kolem-nas-soukromy-kapital-ve-vyzkumu-rizene-termojaderne-fuze. Snahy soukromých společností lze rozdělit na dvě skupiny. První využívá kvazistacionárních plazmatických útvarů – plazmoidů. Občas bývají přirovnávány ke kroužkům dýmu vypouštěným šikovnými kuřáky. Zařízení pak takové plazmoidy vystřeluje proti sobě a energii ještě zvětšuje vstřikem vysokoenergetických neutrálních svazků, magnetickou kompresí nebo pneumatickým stlačením. Druhá podskupina k principu tokamaků přidala novinku: vysokoteplotní supravodiče. „Vysoká teplota“ je v tomto případě nicméně stále ještě z hlediska pozemského světa nízká: pořád je to zhruba –200 °C! Skok od nízkoteplotních supravodičů je doprovázen několikanásobným vzrůstem dosažitelného magnetického pole, a tím i zmenšením objemu plazmatu nezbytného k vyžadované době udržení jeho energie.

Navíc firmy využívají pokročilé modifikace - tzv. kulový tokamak. K průkopníkům patří anglická Tokamak Energy z Culhamu, MIT PS&FS (MIT Plasma Science and Fusion Center) spolupracující s CFS (Commonwelth Fusion Systems) z amerického Massachusetts. Plazmoidy proti sobě střílí kanadská General Fusion, americké TriAlphaEnergy a Helion.

Michael Zarnstorff, zástupce ředitele pro výzkum ve vládou financované prestižní Princeton Plasma Physics Laboratory prohlásil: „Skutečnost, že se objevují další a další soukromé společnosti a kapitál zajímající se o fúzi, svědčí o tom, že fúzní technologie konečně pokročila do stadia uskutečnitelnosti. Je to znamení, že se blížíme k cíli.“

Státní podpora soukromníkům

Američané rychle pochopili, jaký potenciál skrývají na byznys zaměřené společnosti a pokusili se státním projektem Infusion spojit odbornou a materiální vyspělost národních laboratoří a počínajícího fúzního průmyslu s nadšením a pružností soukromého kapitálu, aby dosáhli lákavého cíle – fúzní elektrárny co nejdříve. Vypsaný projekt nabízí všem složkám dotace závislé na rozsahu jejich spolupráce. Prostřednictvím INFUSE mohou soukromé společnosti získat přístup ke špičkovým zařízením a výzkumným pracovníkům DOE. Nový program bude řídit národní laboratoř financovaná DOE – Oak Ridge National Laboratory (ORNL) spolu s laboratoří fyziky plazmatu Princeton Plazma Physics Laboratory (PPPL).

Evropa, natož Česko, o podobném projektu zatím neuvažuje, i když setkání zástupců fúzních výzkumníků a zástupců průmyslu se pořádají i v Česku.