SPARC na START!

Před dvěma a půl roky uzavřelo MIT (Massachusetts Institute of Technology) smlouvu o výzkumu se start-upovou společností Commonwealth Fusion Systems na vývoj experimentálního fúzního zařízení nové generace s názvem SPARC (Small as Possible ARC – Affordable, Robust, Compact). Tehdy v roce 2018 jsme se v 3pólu seznámili s parametry, cílem navrhovaného tokamaku SPARC, s netradičním způsobem financování vycházejícím z výše jmenované smlouvy státem financované laboratoře a soukromé společnosti. (https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2188-tokamak-sparc. ) Na konci první tříleté etapy měla být jasná technologie vysokoteplotních supravodičů – v jejich použití tkví základní rozdíl od dosavadních tokamaků financovaných zcela státem, které používají výhradně nízkoteplotní supravodiče či dokonce měděné vinutí (ať už to byl TFTR nebo je JET a bude i ITER). V jakém stavu se tedy rodící se SPARC nachází dnes?

Po mnoha měsících intenzivního výzkumu a inženýrských prací zveřejnili vědci pověření definováním a zdokonalením fyziky ambiciózního tokamaku SPARC řadu článků shrnujících pokrok, kterého dosáhli, a nastínili klíčové otázky výzkumu, které SPARC umožní. „Zatím se zdá,“ říká Martin Greenwald, zástupce ředitele laboratoře Plasma Science and Fusion Center patřící MIT a jeden z vedoucích vědců projektu, „že práce probíhá bez větších problémů a předpokládaným směrem. Touto řadou publikovaných článků si proponované cíle tokamaku SPARC získaly mezi fúzní komunitou značnou důvěru. Oponenti, ať už jmenovaní či z řad čtenářů, nenašli žádné skryté překážky nebo překvapení a zbývající problémy se zdají být zvládnutelné. Faktem je, že konečnou odpověď dá experimentální etapa.“ Nicméně podle Greenwalda uveřejněné články poskytují pro budoucí provoz zařízení solidní základ. Greenwald napsal k souboru sedmi článků od 47 výzkumníků z 12 institucí úvod a celý soubor byl publikován ve zvláštním čísle časopisu Journal of Plasma Physics. Články společně nastiňují teoretický a empirický základ fyziky zcela nového fúzního systému, který, jak konsorcium očekává, se začne stavět příští rok.

Spolupráce PSFC (The Plasma Science and Fusion Center ) MIT a ÚFP AV ČR

Laboratoř PSFC zahájila s Ústavem fyziky plasmatu AV ČR spolupráci na stavbě nového tokamaku Compass-U s relativně silným magnetickým polem (5 T). Ten měl být spuštěn příští rok, ale zatím se ještě nezačal stavět, takže PSFC se bude moci plně věnovat svému projektu SPARC.

Fúze bez vnějšího ohřevu

SPARC je plánován jako první experimentální zařízení, které dosáhne „zapálení plazmatu (ignition)“ - tj. soběstačnou fúzní reakci, při které se dva izotopy vodíku – deuterium a tritium - spojují dohromady a vytvářejí hélium, aniž by byl nutný vnější ohřevový příkon. Tento cíl nemá ani mezinárodní tokamak ITER. ( V jeho případě se říká „kdyby pánbůh nebyl doma, tak možná…“.) SPARC se zapálením počítá. Studium chování zapáleného plazmatu - něco, co na Zemi dosud nebylo uskutečněno - je považováno za zdroj zásadních informací pro vývoj dalšího kroku, funkčního prototypu skutečné elektrárny vyrábějící elektrickou energii.

Fúzní elektrárny by mohly významně snížit emise skleníkových plynů při výrobě energie, což je jeden z hlavních zdrojů antropogenních emisí na celém světě. Projekt MIT a CFS je jedním z největších soukromě financovaných výzkumných a vývojových projektů, které se kdy v oblasti řízené fúze uskutečnily.

„Skupina MIT uplatňuje velmi odpovědný přístup k výzkumu energie fúze.“ říká Chris Hegna, profesor inženýrské fyziky na univerzitě ve Wisconsinu v Madisonu, který není s tímto projektem spojen. „Uvědomili si, že zrození vysokoteplotní supravodivé technologie umožňuje nový přístup k výzkumu fúze s využitím silného magnetického pole. Tato práce je radikální otočkou mezinárodního fúzního programu od nízkoteplotních k vysokoteplotním supravodičům.“

Velký výkon malého experimentu

Podle návrhu bude tokamak SPARC asi dvakrát větší, než byl v roce 2016 vyřazený tokamak Alcator C-Mod provozovaný jako poslední tokamak v MIT a podobný několika fúzním zařízením, které jsou v současné době v provozu v různých laboratořích. Bude ale mnohem silnější a měl by dosáhnout fúzního výkonu srovnatelného s výkonem očekávaným u mnohem většího tokamaku ITER, který staví ve Francii mezinárodní konsorcium. Velký výkon malého experimentu bude umožněn pokrokem ve výrobě vysokoteplotních supravodivých magnetů, které dokážou vyrobit pro udržení horkého plazmatu mnohem silnější magnetické pole.

Sedm článků v Journal of Plasma Physics

Projekt SPARC byl zahájen počátkem roku 2018 a práce na jeho první fázi, vývoji vysokoteplotních supravodivých magnetů, které by umožňovaly stavět menší fúzní systémy, pokračují rychle. Soubor nových článků je premiérou podrobného obrazu fyzikálního základu činnosti tokamaku SPARC v recenzovaných publikacích. Sedm článků rozebírá specifické oblasti fyziky, které musely být zdokonaleny a které přesto vyžadují neustálý výzkum kvůli zpřesňování konečných prvků konstrukce stroje a s ním spojených provozních postupů a testů.

V článcích se píše o použití výpočtových a simulačních nástrojů pro návrh SPARC, které byly testovány na mnoha experimentech po celém světě. Autoři použili nejmodernější simulace běžící na výkonných superpočítačích, které byly vyvinuty za účelem podpory projektu ITER.

V Massachusetts jsou možná na prahu nové éry tokamaků.

Podle Davida L. Chandlera | Zpravodajská kancelář MIT