Předstihnou soukromá fúzní zařízení ITER?

V nedávné době podpořily významně investoři soukromý projekt tokamaku firmy CFS. Soukromé firmy intenzivně pracují v oblasti magneticko-inerciálního udržení plazmatu. Jak na tom soukromé iniciativy ve srovnání s veřejným fúzním výzkumem jsou?

V diskuzích pod nedávným článkem o průlomu v inerciální fúzi se objevilo několik příspěvků, které se zaměřovaly na soukromé iniciativy usilující o realizaci fúzní elektrárny. Většina se týkala iniciativ, které se zabývají jinými typy magnetických pastí a tzv. magneticko-inerciálním udržením plazmatu. O tuto cestu se snaží například firmy TAE Technologies z Kalifornie a HELION. Pan PetrV v diskuzi pod mým článkem dokonce vyjádřil názor, že velké tokamaky už jsou odepsané a zmíněné firmy jsou už v cestě za fúzní elektrárnou mnohem dále. Cituji: „Firmy tae.com a helion jsou dále se sféromakem. Labutí píseň drahých technologií“. Je tak zajímavé se podívat, jaká je realita.

Fúzní zařízení Norman. Zdroj: TAE Technologies

Různé typy magnetických pastí

Soukromé projekty se snaží využívat i jiné druhy magnetických pastí, než jsou klasické tokamaky. I když rozdíly mezi různými druhy nemusí být příliš dramatický. Patří mezi ně třeba sférický tokamak nebo zmíněný sferomak. U něj se také formuje plazma do tvaru toroidu. Vnitřní intenzivní elektrické proudy v plazmatu vytváří magnetohydrodynamickou sílu, která udržení plazmatu usnadňuje. Není tak potřeba vytvářet dodatečné vnější pole a tento typ magnetických pastí je tak jednodušší. Doba udržení by mohla dosahovat řádově až milisekundy.

Magneticko-inerciální udržení plazmatu

Tato cesta k udržení plazmatu kombinuje vlastnosti magnetického i inerciálního udržení plazmatu. V magnetické pasti se vytvoří plazma o určité hustotě, a to se pak dále stlačí. Nedosahuje se tak sice tak vysokých hustot plazmatu, jako při klasickém inerciálním udržení, takže je třeba dosáhnout delšího udržení. Nemusí však být tak dlouhé, jako je tomu u čistě magnetického udržení. Stlačení lze dosáhnout intenzivními proudy, které vedou k vytvoření magnetických polí a sil, které stlačí plazmatickou zónu. Další možností je urychlení plazmoidů, například ze sferamaku proti sobě a jejich srážka. Stejně tak je možné ke stlačení využít svazky částic či záření, jako je tomu u inerciálního udržení. Obě metody se tak spojí. Magnetické udržení je podpořeno inerciálním udržením.

Fúzní zařízení Norman. Zdroj: TAE Technologies

Přímá konverze kinetické energie částic na elektřinu

V některých projektech se předpokládá přímá konverze kinetické energie pohybujících se nabitých částic, vzniklých jader helia 4, na elektřinu. To je výhodné zvláště v případě využití reakce deuteria s heliem 3 a protonu s bórem 11, kdy vznikají pouze nabité ionty. Využívá se toho, že pohybující se nabité částice vytváří magnetické pole, a to generuje napětí a elektřinu. Tato metoda, není příliš vhodná pro reakci deuteria s tritiem. U této fúzní reakce dominantní část energie odnáší neutrální neutrony.

Termojaderné reakce

Ve fúzním reaktoru se využívá slučování lehkých jader. Nejsnáze dostupná je reakce deuteria a tritia. Ta má maximální pravděpodobnost (největší účinný průřez) při teplotách od 100 milionů do miliardy kelvinů. Maxima u dalších reakcí (deuteria a hélia 3, deuteria a deuteria) jsou u teplot téměř o řád větších. Ještě výše je potřebná teplota u reakce protonu s bórem 11, ta je zhruba 8 miliard kelvinů. Reakce tritia s deuteriem má také při ideální teplotě v maximu nejvyšší pravděpodobnost reakce. Ostatní reakce mají pravděpodobnosti v maximu téměř o řád nižší. Dosažení potřebného součinu hustoty a doby udržení je pak náročnější. To, že se jako o první reakci uvažuje o slučování deuteria a tritia tak vůbec není náhoda.

Zobrazení vnitřních částí tokamaku EAST. Zdroj: Xinhua

Potřebné podmínky

Připomeňme, že Lawsonovo kritérium pro zápalné vyrovnání je zhruba 10²⁰ m^-3s. U zařízení NIF se dosahuje hustota plazmy 10³² m^-3. Doba udržení je okolo 4 nanosekund. Dosahuje se tak součinu hustoty částic plazmatu a doby udržení okolo 10²³ m^-3s. Dosažené teploty přesahují 50 milionů kelvinů.

U tokamaků se dosahuje hustoty plazmatu zhruba 10¹⁹ až 10²⁰ m^-3. Doby udržení jsou nyní jednotky a ve špičkových případech až stovky sekund. Součin tak překračuje hodnotu 10²⁰ m^-3s.

Systémy využívající kombinaci magnetického a inerciálního udržení by mohly v závislosti na typu a kvalitě dosahovat hustoty plazmatu v oblasti mezi 10²⁴ až 10²⁹ m^-3. Dosažené hodnoty doby udržení by pak mohly být až mikrosekundy.

Jihokorejský tokamak KSTAR. Zdroj: KIFE

Dosažené rekordy u tokamaků

V současné době je na světě v provozu celá řada tokamaků. Podívejme se, jaké parametry plazmatu se jim podařilo dosáhnout.

V roce 2020 se na korejském tokamaku KSTAR podařilo docílit udržení plazmatu 20 sekund při teplotě 100 milionů kelvinů.  V listopadu roku 2021 se pak podařilo plazma s teplotou přesahující 100 milionů kelvinů udržet 30 sekund.

Čínský reaktor EAST udržel v první polovině roku 2021 plazma o teplotě 120 milionů stupňů po 101 sekund. Po dobu 20 sekund se dokonce podařilo udržet teplotu 160 milionů kelvinů.

Připomeňme, že vyšších teplot, které dosahovaly až 200 milionů kelvinů se podařilo dosáhnout na evropském zařízení JET ve Velké Británii. Takové plazma se však podařilo udržet pouze v jednotkách sekund.

Divertor fúzního zařízeni Trento firmy Helion. Zdroj: Helion

Privátní tokamaky

Podívejme se na poslední rekordy privátních zařízení. Fúzní zařízení Norman firmy TAE Technologies dosáhlo teploty plazmatu při udržení 50 milionů kelvinů. Je třeba zmínit, že teplota iontů je v tomto případě jiná, než je teplota elektronů. U nich je teplota o 10 milionů kelvinů menší.

Zařízení firmy Helion se podařilo dosáhnout teplot několik desítek milionů stupňů. Hustota plazmatu by měla být v řádu 10²² m^-3 a doba udržení plazmatu pak okolo 40 mikrosekund. Součin hustoty plazmatu a doby udržení tak je v řádu 10¹⁸ m^-3s. Což je zatím řádově pod hodnotami dosahovanými na tokamacích.

Schéma budovaného nového tokamaku COMPASS Upgrade. Zdroj: ÚFP AV ČR

Závěr

Jak je vidět, tak současné špičkové tokamaky mají u dosažených teplot i součinu hustoty a doby udržení stále náskok. Pokud jde o ITER, tak u tokamaku velká část vlastností škáluje s rozměrem. Z parametrů současných tokamaků tak můžeme předpovědět možnosti tokamaku ITER. A u něj je jasné, že teploty i součin hustoty a doby udržení dosáhnou takových hodnot, které překračují Lawsonovo kritérium pro zápalné vyrovnání řádově. Je pořád otázkou, jak bude konstrukce odolná, jak se bude produkovat palivo nebo jak efektivní bude chlazení a konverze energie neutronů na teplo a následně v případě budoucí elektrárny na elektrickou energii. Ovšem to, že tento tokamak dosáhne realizace značného přebytku energie z fúzních reakcí oproti energii investované do ohřevu plazmatu, je jisté.

U alternativních koncepcí zatím tak daleko nejsme. Je však třeba dodat, že jejich velikost a složitost nedosahuje té, kterou mají ty největší tokamaky, a už vůbec ne ITER. Obrovskou výhodou těchto menších privátních zařízení je možnost větší flexibility a menší tendence ke konzervativnímu přístupu. Lze tak okamžitě využívat pokrok ve vývoji a nová zařízení a technologie. Například použití těch nejmodernějších supravodivých magnetů. Zaměření na směry, které se nezdají těmi nejperspektivnějšími, může sice skončit ve slepé uličce, ale může také vést k technologickému průlomu. Ten může způsobit, že méně perspektivní směr předběhne ty ostatní. I v případě, že se takový technologický průlom neuskuteční, lze na těchto zařízeních získat velmi cenné zkušenosti, poznatky a technologie, které se uplatní ve směrech ostatních.

Z podobného důvodu je důležité mít i celou řadu menších tokamaků, které vyzkouší technologie, materiály a postupy, které se pak využijí u těch velkých. Rozmanitost a flexibilita jsou klíčové vlastnosti, které umožňují pokrok. To je třeba důvod, proč se u nás nový vylepšený tokamak COMPASS v Ústavu fyziky plazmatu.

Je velice dobře, že perspektivní privátní firmy zaměřené na fúzní technologie nacházejí investory. Není vyloučeno, že některá z nich bude tou, která realizuje technologický průlom a přechod k termojaderné energetice. Ovšem zatím se nezdá, jak je vidět z dosažených parametrů plazmatu, že by něco takového bylo na obzoru. Je třeba také připomenout, že většina výsledků klasických zařízení je známá z recenzovaných publikací a je poměrně pečlivě diskutována a ověřována. O výsledcích privátních zařízení existují většinou pouze zprávy z novin či jejich internetových stránek.

Jak jsem už zmínil, je možné, že technologický průlom k fúzním elektrárnám učiní privátní firma. Podobně, jako zavedení mnohonásobně využitelných raketových nosičů realizovala firma Elona Muska. Ovšem zatím to nelze předvídat. Uvedené tvrzení PetraV v diskuzi pod mým článkem je pak úplně mimo realitu.