Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 482

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).

Fotogalerie (1)
Vizualizace tokamaku SPARC (Zdroj: Ken Filar/MIT PSFC Research Affiliate)

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.

Milan Řípa
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Velký bratr vás sleduje

Pokud brouzdáte po internetu, jste stále atakováni reklamami. Někteří inzerenti na vás ale číhají i nepozorováni. Nabídky v reálném čase (RTB) jsou procesem, při kterém ...

Top 10 podivných věcí, které byly hacknuty

Protože technologie zabírají stále významnější část našeho života, jsou také stále bližší (a častější) nejrůznější počítačové hrozby.

Jihočeský jaderný park

Jihočeský kraj, ČEZ a ÚJV Řež zakládají Jihočeský jaderný park. Projekt má urychlit přípravu a zavádění malých modulárních reaktorů v České republice.

Výměna rotoru jednoho ze dvou největších českých generátorů

Zařízení, které produkuje přibližně 10 % české spotřeby elektřiny, prochází kontrolami a modernizací. Technici do generátoru prvního bloku JE Temelín na konci května instalovali záložní rotor generátoru.

Vodík a grafen z metanu

Na břehu řeky Cam, blízko místa, kde trénují vysokoškolské veslařské týmy Cambridge, druhé nejstarší britské univerzity, stojí šedý přepravní kontejner připravený pro Abu Dhabi.

Nejnovější video

Jak funguje PCR test na coronavirus

Krásně a jednoduše vysvětleno se srozumitelnými animacemi. V angličtině.

close
detail