Ako fungujú fúzne reaktory typu Tokamak – a ako blízko sme k ich realite

Stroj, ktorý uzatvára hviezdu do fľaše

Už viac ako sedem desaťročí sa vedci usilujú o zdanlivo jednoduchú myšlienku: replikovať proces, ktorý poháňa Slnko, a získať prakticky neobmedzené množstvo čistej energie. Hlavným zariadením v tomto úsilí je tokamak – stroj v tvare šišky, ktorý využíva magnetické polia na udržanie plazmy zahriatej na stovky miliónov stupňov. Vzhľadom na to, že niekoľko významných tokamakov je v súčasnosti vo výstavbe alebo sa blíži k prvej plazme, dlho sľubovaná éra fúznej energie je bližšie ako kedykoľvek predtým.

Čo je to Tokamak?

Názov pochádza z ruského akronymu – toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami – čo znamená „toroidálna komora s magnetickými cievkami“. Tokamak, ktorý v 50. rokoch 20. storočia vymysleli sovietski fyzici Andrej Sacharov a Igor Tamm, sa rýchlo ukázal ako najúčinnejší spôsob na udržanie fúznej plazmy a zostáva dominantným dizajnom na celom svete.

Vo svojej podstate je tokamak dutá, prstencovitá vákuová nádoba obklopená supravodivými magnetmi. Tieto magnety generujú prekrývajúce sa polia – toroidálne (vedúce po dlhej strane okolo prstenca) a poloidálne (vedúce po krátkej strane) – ktoré sa navzájom prekrúcajú do špirálovej klietky, čím udržujú prehriatu plazmu vznášajúcu sa mimo stien nádoby.

Ako to funguje, krok za krokom

Najprv sa zo vzduchotesnej komory odčerpá vzduch a nečistoty. Malé množstvo vodíkového paliva – zvyčajne deutérium a trícium, dva ťažké izotopy vodíka – sa vstrekuje ako plyn. Silný elektrický prúd ionizuje plyn, oddeľuje elektróny od jadier a vytvára plazmu.

Pomocné vykurovacie systémy potom posúvajú plazmu na teploty fúzie: medzi 150 a 300 miliónmi °C, čo je približne desaťkrát viac ako teplota jadra Slnka. Metódy zahŕňajú vstrekovanie neutrálneho zväzku, ktorý vstreľuje vysokoenergetické častice do plazmy, a rádiofrekvenčné ohrievanie, ktoré vháňa energiu podobnú mikrovlnám.

Pri týchto extrémnych teplotách jadrá deutéria a trícia prekonávajú svoje prirodzené elektrické odpudzovanie a spájajú sa, čím vzniká jadro hélia, vysokoenergetický neutrón a výbuch energie. Neutróny unikajú z magnetickej klietky, narážajú na okolité plášť a premieňajú svoju kinetickú energiu na teplo – ktoré potom môže poháňať konvenčnú parnú turbínu na výrobu elektriny.

Prečo sú magnety kľúčové

Plazma pri teplotách fúzie by odparila akýkoľvek materiál, s ktorým by sa dotkla. Riešením tokamaku je použitie magnetizmu namiesto stien. Čím silnejšie je magnetické pole, tým tesnejšie je udržanie plazmy – a tým menší môže byť stroj pri dosahovaní podmienok fúzie. Tento poznatok podnietil revolúciu v oblasti vysokoteplotných supravodivých (HTS) magnetov, ktoré generujú oveľa silnejšie polia ako staršie medené alebo nízkoteplotné supravodiče.

Spoločnosť Commonwealth Fusion Systems, odnož MIT, postavila v roku 2021 najvýkonnejší HTS fúzny magnet na svete, ktorý produkuje pole s intenzitou 20 tesla. Tento prelom umožnil návrh SPARC, kompaktného tokamaku, ktorého cieľom je produkovať 140 MW fúznej energie napriek tomu, že je zlomkom veľkosti starších konštrukcií.

Kde sa nachádzame

Dva vlajkové projekty ukotvujú dnešiu fúznu krajinu. ITER, medzinárodný megaprojekt v južnom Francúzsku, ktorý podporuje 35 krajín, dokončil všetky svoje supravodivé magnety – vrátane centrálneho solenoidu dostatočne silného na zdvihnutie lietadlovej lode – a zameriava sa na prvú plazmu okolo rokov 2033 – 2034. Keď bude ITER v prevádzke, objem jeho plazmy bude šesťkrát väčší ako objem akéhokoľvek existujúceho tokamaku.

Na súkromnej strane spoločnosť CFS montuje SPARC v Devens, Massachusetts, s prvou plazmou očakávanou v rokoch 2026 – 2027 a cieľom demonštrovať čistý energetický zisk krátko potom. Spoločnosť získala takmer 3 miliardy dolárov s podporou od spoločností Google a Nvidia a plánuje postaviť ARC, svoju prvú komerčnú elektráreň, začiatkom 30. rokov tohto storočia.

Nie sú sami. Približne 50 súkromných spoločností sa v súčasnosti usiluje o komerčnú fúziu a niekoľko z nich – vrátane TAE Technologies a General Fusion – uvádza na trh nové demonštračné stroje. Väčšina odborníkov odhaduje realistické časové rámce na roky 2030 – 2035 pre prvé komerčné elektrárne dodávajúce energiu do sietí.

Zostávajúce výzvy

Inžinierske prekážky zostávajú významné. Komponenty vystavené plazme musia roky odolávať extrémnemu bombardovaniu neutrónmi bez toho, aby sa znehodnotili. Trícium, jedno z dvoch palív, je rádioaktívne a vzácne – budúce reaktory ho budú musieť produkovať z lítiových plášťov obklopujúcich plazmu. A žiadny tokamak zatiaľ neudržal horiacu plazmu dostatočne dlho na to, aby generoval nepretržitú elektrinu.

Napriek tomu sa tempo pokroku dramaticky zrýchlilo. Fúzia prechádza z fyzikálneho experimentu na inžiniersku výzvu – a stroje, ktoré sa pretekajú v jej riešení, už nadobúdajú tvar.