Jak fungují fúzní reaktory typu tokamak – a jak blízko jsme cíli

Stroj, který uzavírá hvězdu do láhve

Již více než sedm desetiletí se vědci snaží dosáhnout zdánlivě jednoduchého cíle: replikovat proces, který pohání Slunce, a získávat prakticky neomezenou, čistou energii. Hlavním zařízením v tomto úsilí je tokamak – stroj ve tvaru koblihy, který využívá magnetická pole k udržení plazmatu zahřátého na stovky milionů stupňů. S několika velkými tokamaky, které jsou nyní ve výstavbě nebo se blíží k prvnímu plazmatu, je dlouho slibovaná éra fúzní energie blíž než kdy dříve.

Co je to tokamak?

Název pochází z ruské zkratky – toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami – což znamená „toroidální komora s magnetickými cívkami“. Tokamak, který v 50. letech 20. století vymysleli sovětští fyzici Andrej Sacharov a Igor Tamm, se rychle ukázal jako nejúčinnější způsob, jak udržet fúzní plazma, a zůstává dominantní konstrukcí po celém světě.

Tokamak je ve své podstatě dutá, prstencovitá vakuová nádoba obklopená supravodivými magnety. Tyto magnety generují překrývající se pole – toroidální (vedoucí po dlouhé straně prstence) a poloidální (vedoucí po krátké straně) – která se kroutí dohromady do šroubovicové klece, čímž udržují přehřáté plazma v suspenzi mimo stěny nádoby.

Jak to funguje, krok za krokem

Nejprve se ze vakuové komory odčerpá vzduch a nečistoty. Malé množství vodíkového paliva – typicky deuterium a tritium, dva těžké izotopy vodíku – se vstříkne jako plyn. Silný elektrický proud plyn ionizuje, odděluje elektrony od jader a vytváří plazma.

Pomocné topné systémy pak tlačí plazma na fúzní teploty: mezi 150 a 300 miliony °C, což je zhruba desetkrát více než v jádru Slunce. Mezi metody patří vstřikování neutrálních svazků, které do plazmatu vystřelují vysokoenergetické částice, a vysokofrekvenční ohřev, který do něj pumpuje energii podobnou mikrovlnám.

Při těchto extrémních teplotách jádra deuteria a tritia překonávají své přirozené elektrické odpuzování a slučují se, čímž vzniká jádro helia, vysokoenergetický neutron a výbuch energie. Neutrony unikají z magnetické klece, narážejí na okolní plášť a přeměňují svou kinetickou energii na teplo – které pak může pohánět konvenční parní turbínu k výrobě elektřiny.

Proč jsou magnety klíčové

Plazma při fúzních teplotách by vypařila jakýkoli materiál, kterého by se dotkla. Řešením tokamaku je použití magnetismu namísto stěn. Čím silnější je magnetické pole, tím těsnější je udržení plazmatu – a tím menší může být stroj, který stále dosahuje fúzních podmínek. Tento poznatek vedl k revoluci v oblasti vysokoteplotních supravodivých (HTS) magnetů, které generují mnohem silnější pole než starší měděné nebo nízkoteplotní supravodiče.

Společnost Commonwealth Fusion Systems, odštěpená od MIT, postavila v roce 2021 nejsilnější HTS fúzní magnet na světě, který produkuje pole o síle 20 tesla. Tento průlom umožnil návrh SPARC, kompaktního tokamaku, jehož cílem je produkovat 140 MW fúzního výkonu, přestože je jen zlomkem velikosti dřívějších konstrukcí.

Kde se nacházíme

Dva vlajkové projekty ukotvují dnešní fúzní krajinu. ITER, mezinárodní megaprojekt v jižní Francii podporovaný 35 zeměmi, dokončil všechny své supravodivé magnety – včetně centrálního solenoidu dostatečně silného na to, aby zvedl letadlovou loď – a cílí na první plazma kolem let 2033–2034. Po uvedení do provozu bude objem plazmatu ITER šestkrát větší než u jakéhokoli stávajícího tokamaku.

Na soukromé straně CFS sestavuje SPARC v Devensu v Massachusetts, přičemž první plazma se očekává v letech 2026–2027 a cílem je krátce poté demonstrovat čistý energetický zisk. Společnost získala téměř 3 miliardy dolarů s podporou společností Google a Nvidia a plánuje postavit ARC, svou první komerční elektrárnu, na počátku 30. let 21. století.

Nejsou sami. Komerční fúzi nyní usiluje o dosažení přibližně 50 soukromých společností a několik z nich – včetně TAE Technologies a General Fusion – uvádí na trh nové demonstrační stroje. Většina odborníků odhaduje realistické časové osy na roky 2030–2035 pro první komerční elektrárny dodávající energii do sítí.

Zbývající výzvy

Inženýrské překážky zůstávají značné. Komponenty vystavené plazmatu musí vydržet extrémní bombardování neutrony po celá léta, aniž by se znehodnotily. Tritium, jedno ze dvou paliv, je radioaktivní a vzácné – budoucí reaktory ho budou muset vyrábět z lithiových plášťů obklopujících plazma. A žádný tokamak dosud neudržel hořící plazma dostatečně dlouho na to, aby generoval nepřetržitou elektřinu.

Přesto se tempo pokroku dramaticky zrychlilo. Fúze přechází z fyzikálního experimentu na inženýrskou výzvu – a stroje, které se ji snaží vyřešit, již nabývají tvar.