Jak to bylo s fúzí – část osmá

Kulový (nebo kulatý?) tokamak je už dlouho v hledáčku fúzních fyziků, ať už v Culham Science Centre ve Spojeném království, nebo Princeton Plasma Physics Laboratory ve Spojených státech. Britské tokamaky Start, modernizovaný MAST, nebo americký NSTX jsou dnes pojmy a výzkumy na nich pokračují přinejmenším stejně intenzivně, jako na klasických tokamacích. Kulové tokamaky zvětšily poměr malého a velkého poloměru toroidální vakuové komory na úkor centrálního solenoidu (primárního vinutí tokamakového transformátoru) tak, že průřez jejich vakuové komory připomíná přepůlené jablíčko bez jaderníku. Novou kapitolu kulových tokamaků se pokouší psát druhá generace vysokoteplotních supravodičů, která dokáže pracovat s magnetickými poli více než dvakrát silnějšími, než jaká fungují u současných standardních tokamaků. Výkon plazmatu roste se čtvrtou mocninou intenzity magnetického pole!

Tokamak Energy Company

V roce 2009 byla založena v britském Culhamu společnost Tokamak Solution, později přejmenovaná na Tokamak Energy. Fyzici vyučení na tokamacích Start či MAST se v ní za soukromé peníze pokoušejí obohatit trh zdrojů elektrické energie o laciný, bezemisní a jaderně bezpečný zdroj elektřiny – o elektrárnu, jejíž srdcem bude kulový tokamak s vysokoteplotními supravodiči. V první fázi bude palivem směs deuteria a tritia. Tritium se bude vyrábět ve stěnách vakuové komory bombardováním lithia fúzními neutrony. Na rozdíl od „vzdušných zámků“ typu Tri Alfa Energy nebo Skunkworks Lockheed Martin je snaha společnosti Tokamak Energy o kompaktní tokamak hodna pozornosti odborné veřejnosti. Podle odhadů Tokamak Energy, publikovaných v seriózním časopisu Nuclear Fusion, může budoucí elektrárna  poháněná kompaktním tokamakem mít výkon okolo 100 MW elektrické energie. Sama společnost Tokamak Energy o tomto předpokladu hovoří jako o překvapivém a kontroverzním. Teoretickými analýzami, experimentálními daty a inženýrskými výpočty ho však má potvrdit již v letošním roce. Zařízení přijde na deset miliónů euro.

Cílem je zkušební 100MW elektrárna nepřipojená na síť, kterou bude následovat několik dalších 100MW elektráren, tentokrát již zapojených do sítě. Výkon 100 MW by pak měl do pěti let vzrůst na 3 GW. Ve srovnání s hlavním fúzním proudem (velké tokamaky, resp. gigantické laserové systémy) by elektrárny s kompaktními tokamaky měly díky nízkým nákladům rychle zaujmout významné místo v energetickém mixu. Vzhledem k velké jaderné bezpečnosti (nehrozí žádné roztavení reaktoru a únik radioaktivity do okolí) a šetrnosti k okolnímu prostředí (žádné emise CO₂ ani jiných škodlivých látek) bude možné stavět elektrárny na okraji měst. Pro armádu je již fúze nezajímavá.

Tokamak byznys

Soukromá společnost potřebuje vydělávat. Klíčem vstupu na trh bude podle Tokamak Energy potvrzení inženýrské dostupnosti výroby elektrické energie. Velmi přitažlivé bude zařízení pro použití mimo síť - v odlehlých, jinak těžko zásobovatelných oblastech. Pro použití v elektrické síti budou rozhodovat náklady. Předpokládá se, že s růstem výroby budou náklady na tyto elektrárny v důsledku nižších cen vysokoteplotních supravodičů klesat. Již nyní Tokamak Energy očekává zlepšení poměru výkon/cena vysokoteplotních supravodičů 10× během pěti let. Tokamak Energy chce zvýšit objem výroby každých pět let 10×, což přinese 50% zlevnění reaktoru. Náklady ovlivňuje životnost nejen supravodičů, ale i materiálů v přímém styku s plasmatem, tzv. „facing plasma materials“. Zájem trhu by měly zvýšit kladné ohlasy veřejnosti.

Tokamak Energy hledá možnosti urychlení vstupu na trh. Hodlá rozšířit inženýrské centrum i výzkumný tým a studuje možnosti spolupráce. Velký potenciál vidí v joint venture s výrobcem vysokoteplotních supravodičů při společném řešení problémů i v odstraňování pochybností a nedůvěry okolí.

Čím se liší?

Když čtete plány, technologie, cíle společnosti Tokamak Energy, určitě vás napadne, čím se tokamak společnosti Tokamak Energy liší od main stream tokamakové strategie ztělesněné tokamakem ITER a jeho satelity. Liší se dvou tisíckrát. Náklady na zařízení inzerované společností Tokamak Energy se předpokládají 10 milionů a náklady na tokamak ITER cca 20 miliard. Přitom by však kompaktní kulové zařízení mělo při daném magnetickém poli (vyšší beta) dosáhnout mnohem vyššího tlaku plazmatu. To znamená, že kompaktní kulový tokamak by měl být mnohem efektivnější. Výpočty tvrdí, že kulový tokamak by měl být při použití vysokoteplotních supravodičů podstatně menší než jiná fúzní zařízení, která jsou dnes běžně v provozu. Tokamak Energy tvrdí, že elektrárna s kulovým tokamakem bude mít objem (není jasné, zda vakuové komory či plazmatu) stokrát menší než tokamak ITER, který navíc zatím nebude vyrábět elektřinu. Zjednodušeně řečeno – místo rozměrů letadlového hangáru bude mít rozměry obývacího pokoje. Důvěryhodnost společnosti Tokamak Energy zvyšuje přítomnost Poradního výboru pro vědu a životní prostředí, který „hlídá“ činnost Tokamak Energy. Nikde jsem se ale nedočetl, jak bude Tokamak Energy stínit centrální solenoid před fúzními neutrony. Tam se už z principu kulového tokamaku nic nevejde – natož metrové stínění.

Není bez zajímavosti, že Tokamak Energy (dříve Tokamak Solution) spolupracuje s Českým vysokým učením technickým v Praze (tokamak GOLEM z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské) a Ústavem fyziky plazmatu AV ČR v Praze při výzkumu vysokoteplotních supravodičů.

Supravodiče z MIT

Kompaktním tokamakem, který využívá vysokoteplotní supravodiče, se zabývají také ve Středisku vědy o plazmatu a fúze Masachutského ústavu techniky (MIT’s Plasma Science and Fusion Center) ve Spojených státech. Ředitel Dennis Whyte hovoří o druhé generaci supravodičů, vyrobených z oxidu barnatého, oxidu mědnatého a oxidů vzácných zemin (RE)Ba₂Cu₃O₇-x (RE = Rare Earth). Nazývají se REBCO a při vysokých teplotách jsou schopné dosáhnout vysokých hodnot magnetického pole: oproti 13 T tokamaku ITER to prý může být 23 T při stejném fúzním výkonu 500 MW! Pilotní projekt MIT ACR (affordable, compact, robust – cenově dostupný, kompaktní, robustní),   je sice velice ambiciózní, aby však nezůstal jen na papíře, záleží na nadšení mladých výzkumníků a pochopitelně na donátorech, kteří se právě hledají.

Blízká budoucnost

Na závěr si zopakujme strategii společnosti Tokamak Energy:

1. Stavba a spuštění zařízení s extrémně silným magnetickým polem v roce 2016.
2. Předvedení zařízení s energetickým ziskem.
3. Předvedení elektřiny vyrobené pomocí fúzního reaktoru v režimu breakeven (tj. v režimu vyrovnání, kdy ztráty výkonu (z) plazmatu jsou hrazeny výkonovým ziskem fúzní reakce; více méně lze vypnout vnější příkon a fúze poběží „sama“, Q = fúzní výkon/příkon = ∞).

Fantasie? Nesmysl? Hyperbola? Nechme se překvapit! Píše se totiž rok 2016.

(Pokračujeme v seriálu: první díl vyšel 24. 6. 2015 zde  http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1705-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-prvni, druhý díl 24. 9. 2015 zde http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1749-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-druha, třetí 28. 11. 2015 zde http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1750-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-treti, čtvrtý 28. 1. 2016 zde http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1771-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-ctvrta , pátý 28. 2. 2016 zde http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1770-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-pata, šestý 27. 3. 2016 zde http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1816-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-sesta , sedmý 26. 4. 2016 zde http://www.3pol.cz/cz/rubriky/fyzika-a-klasicka-energetika/1828-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-sedma )

Obrázky použity s laskavým svolením ITER Organization a Tokamak Energy.