Současný fúzní výzkum se dělí na dva hlavní proudy: výzkum fúze s magnetickým udržením paliva probíhající majoritně na tokamacích a výzkum fúze s inerciálním udržením paliva probíhající na velkých laserových systémech. O úspěších fúzního výzkumu v obou oblastech jsme psali zde. V posledních letech ale roste počet soukromých firem, které nabízejí inovativní nebo alternativní řešení fúzních reaktorů. Navrhované inovace vylepšují stávající mainstreamová zařízení (tokamaky, stelarátory, laserové systémy), zatímco alternativní řešení představují neobvyklé koncepty udržení paliva (např. srážky plazmoidů, rázové vlny) anebo již opuštěné koncepty (např. lineární magnetická zařízení).

Inovativní koncepty

Většina inovativních konceptů spadá do oblasti magnetického udržení paliva. Navrhují vylepšení tokamaků (Commonwealth Fusion Systems, USA; Tokamak Energy, UK; ENN, Čína) nebo stelarátorů (Renaissance Fusion, Francie; Type One Energy Group, USA; Helical Fusion, Japonsko; Proxima Fusion, Německo; Gauss Fusion, Německo). Navrhované inovace mohou mít velký přínos, avšak jejich realizace je obvykle obtížná.

Často navrhovanou inovací je například použití vysokoteplotních supravodičů (HTS, High Temperature Superconductor) v magnetických cívkách tokamaků a stelarátorů. Aplikace HTS umožní reaktory zdokonalit a současně snížit jejich energetickou spotřebu. Avšak technologie HTS dosud není připravena. HTS je obtížné ohýbat a velmi obtížné spojovat. Jde o křehký keramický materiál, který nelze svařovat nebo pájet a spoj přitom musí být supravodivý. Jeden z nejznámějších soukromých projektů, projekt reaktoru SPARC americké firmy Commonwealth Fusion Systems financovaný mimo jiné Billem Gatesem, byl kdysi zahájen s kritikou projektu ITER a sliboval rychlou výstavbu menšího fúzního reaktoru o vysokém výkonu založeného na HTS. Zastavil se ale na neúspěšných pokusech vyrobit z HTS model cívky v plné velikosti. Od té doby probíhá intenzivní technologický výzkum, a proto lze očekávat brzký pokrok. Po dořešení technologie výroby cívek budou HTS pro fúzní reaktory velkým přínosem. A to jak pro tokamaky, tak pro stelarátory.

V oblasti inerciální fúze se inovativní koncepty soustředí na zdokonalení laserové soustavy a realizaci přímého zapálení (Focused Energy, USA/Německo; Marvel Fusion, Německo). Zdokonalení laserů a jejich konfigurace by byly vysoce chvályhodné stejně jako překonání nestabilit paliva při přímém zapálení, avšak v obou případech jde o vysoce ambiciózní a extrémně nákladné cíle. I dílčí úspěchy, především v oblasti vývoje rychlých výkonných laserů, by ovšem byly cenné.

Alternativní koncepty

Alternativní koncepty představují oproti mainstreamu jiná řešení. Bohužel žádný z těchto konceptů není podložen rigorózními fyzikálními analýzami anebo průkaznými experimenty. Vědecké publikace o konceptech se týkají jen okrajových nebo nepodstatných otázek, případně nejsou žádné. Proto je při jejich analýze nutné vyjít z obecných znalostí a výsledků fúzního výzkumu.

Většina soukromých firem slibuje brzké postavení fúzních elektráren. Tento cíl znamená, že nestačí, aby koncept dosáhl fúzní reakce a produkoval neutrony, ale musí především vytvářet energetický zisk. Vyvolat jadernou fúzi a generovat fúzní neutrony je totiž technicky snadné. Jaderná fúze se již delší dobu úspěšně používá například v kompaktních neutronových generátorech, které se dají zakoupit i v e-shopech na internetu. Tyto generátory se obvykle používají pro nedestruktivní testování materiálů, podobný generátor je využíván také ve školním jaderném reaktoru VR-2 ČVUT jako zdroj neutronů. Všechny typy těchto generátorů jsou ale bez výjimky výrazně energeticky ztrátové.

Uvolňování užitečné energie je mnohem náročnější úkol než jen vyvolání fúzních reakcí. Hlavním rozdílem je, že musí být zajištěna jejich vysoká četnost. Proto do hry vstupuje hustota paliva, teplota paliva a nutnost udržet tyto parametry co nejdéle, aby proběhlo dostatečné množství reakcí. Podmínky, které musí být splněny, aby fúzní reakce vytvořila energetický zisk, popisuje Lawsonovo kritérium:

n τ_E ≥ f(T)

kde n je hustota paliva, T je teplota paliva a je doba udržení energie v palivu. Abychom fúzí získali užitečnou energii, musíme palivo stlačit na co největší hustotu, zahřát na vysokou teplotu a chvíli tak udržet. Obtížnost úkolu spočívá v tom, že se palivo snaží rozletět do všech stran a rychle se ochlazuje všemi mechanismy přenosu tepla – konvekcí, kondukcí i radiací. Právě rychlost ochlazování paliva charakterizuje doba udržení energie . Kritérium je nejsnáze splnitelné při fúzní reakci izotopů vodíku deuteria a tritia při teplotách nad 150 milionů K v závislosti na způsobu udržení. Rovnici Lawsonova kritéria inženýrského vyrovnání DT reakce lze při optimální teplotě zapsat ve tvaru

n τ_E ≥ 10²⁰ s/m³

Pokud chceme jadernou fúzí deuteria a tritia uvolňovat užitečnou energii, musí být palivo ohřáto na teplotu vyšší než 150 milionů K a součin hustoty a doby udržení energie musí být vyšší než 10²⁰ s/m³.

Je důležité rozlišovat mezi dobou udržení paliva a dobou udržení energie. Udržení paliva, tj. spoutání paliva v zařízení, je pouze předpokladem pro udržení energie. I když je palivo udrženo pohromadě, ztrácí rychle energii například radiací. Supravodivé tokamaky dokážou udržet horké palivo až desítky minut, avšak doba udržení energie v palivu bývá kratší než sekunda. Jednou z cest prodloužení doby udržení energie je zvětšení objemu paliva, a proto budou energetické reaktory s magnetickým udržením paliva velké.

Magnetická fúze směřuje ke splnění Lawsonova kritéria s nízkou hustotou paliva 10²⁰ částic/m³ a dobou udržení energie několik sekund. Doba udržení energie je v magnetické fúzi kritickým parametrem, protože plazma ztrácí energii jak interakcí s konstrukcí reaktoru, tak radiací. Inerciální fúze je založena na šokovém stlačení paliva, při kterém je dosažena natolik vysoká hustota, že pro splnění Lawsonova kritéria postačí čas, poskytnutý setrvačností částic paliva. Setrvačnost působí velmi krátce a dokáže udržet palivo pouze po dobu 10^-10 s. Lawsonovo kritérium je proto možné splnit pouze tehdy, pokud bude hustota paliva vyšší než 10³⁰ částic/m³. Zde je kritickým parametrem hustota. Poslední experimenty ukazují, že pro dosažení uvedené hustoty musí být na palivo vyvinutý tlak okolo biliónu atmosfér (~10⁸ GPa).

Některé alternativní koncepty plánují využít jiná paliva než DT palivo, například čisté deuteriové DD palivo (Helion Energy, USA), deuterium s izotopem helia ³He - DHe3 palivo (Helion Energy, USA; Princeton Fusion Systems, USA) nebo vodík s bórem - HB palivo (TAE Technologies, USA; LPP Fusion, USA). Tyto reakce vyžadují vyšší parametry plazmatu než DT reakce a Lawsonovo kritérium je zjednodušeně o řád vyšší

n τ_E ≥ 10²¹ s/m³

přičemž optimální teplota je pro DD reakci podobná jako pro DT reakci, pro reakci DHe3 je vyšší než 650 milionů K, a pro HB reakci je vyšší než 1,5 miliardy K.

Magneto-inerciální koncept Helion Energy vystřelující proti sobě dva plazmoidy FRC (kredit Helion Energy)

Magneto-inerciální koncepty

Požadavek na dlouhou dobu udržení energie při magnetické fúzi nebo extrémní hustotu paliva při inerciální fúzi vytváří hypotetický prostor pro splnění kritéria někde uprostřed mezi oběma extrémy. Protože splnění prvního nebo druhého požadavku vyžaduje velmi drahá zařízení, hledají některé soukromé firmy cestu mezi a argumentují přitom nižšími náklady. Koncepty plánují při střední hustotě dosáhnout střední dobu udržení energie, například při hustotě paliva 10²³ částic/m³ udržet energii alespoň 10^-3 s. To vypadá na první pohled jako dobrý nápad, ale na druhý už ne.

Totiž, pokud by magnetická fúze mohla pracovat s vyššími hustotami paliva, tak by s nimi již dávno pracovala - problém je v dosažitelné síle magnetického pole, limitující maximální tlak plazmatu, a v radiačních ztrátách. Tlak plazmatu je úměrný jeho hustotě a teplotě, takže hustota horkého plazmatu je při optimální teplotě omezena magnetickým polem, jaké umíme v plazmatu vytvořit. Radiační ztráty zase závisí na druhé mocnině hustoty paliva a u hustého paliva budou výrazně zkracovat dobu udržení energie. Podobně je to u inerciální fúze. Pokud by bylo možné pracovat s delší setrvačností, již dávno by se využívala. Charakteristická doba setrvačnosti je ale pevně daná fyzikálními zákony.

Magneto-inerciální koncept TAE Technologies vystřelující proti sobě dva plazmoidy FRC s ohřevem svazky neutrálních atomů (kredit TAE Technologies)

Magneto-inerciální koncepty (Helion Energy, USA; TAE Technologies, USA) používají palivo ve formě plazmoidů FRC (Field Reversed Configuration), shluků plazmatu s vlastním magnetickým polem. Plazma vytváří prstenec, kterým protéká proud, okolo kterého vzniká magnetické pole na vnitřní straně prstence orientované opačným směrem než na vnější straně. Z dlouholetých výzkumů FRC ale vyplývá, že doba životnosti FRC je pouze desítky až stovky mikrosekund. Helion Energy udává dobu udržení paliva v FRC kratší než 1 milisekunda.

Koncepty využívají pro udržení paliva dva druhy magnetického pole: vlastní pole plazmoidů v konfiguraci FRC a lineární magnetické pole zařízení. Desítky let výzkumu FRC a lineárních zařízení od 60. let minulého století přitom s jistotou prokázaly, že pomocí FRC ani pomocí lineárních magnetických polí není možné palivo udržet. FRC jsou silně nestabilní a rychle se rozpadají, v lineárních zařízeních zase vždy dochází k rychlému úniku paliva díky magnetohydrodynamickým a kinetickým nestabilitám. Bez ohledu na název konceptů zde inerciální udržení nemůže z fyzikální podstaty hrát žádnou roli, protože koncepty předpokládají dobu udržení paliva až 10^-3 s, což je desetmilionkrát déle, než je doba setrvačnosti částic 10^-10 s.

Helion Energy deklaruje použití DD a DHe3 paliva. Z uvedeného Lawsonova kritéria přímo vyplývá potřebná hustota paliva nejméně 10²⁴ částic/m³ (= 10²¹/10^-3). Jednoduchý výpočet umožňuje stanovit tlak plazmatu. Za studena je tlak plazmatu při uvedené hustotě menší než atmosférický tlak vzduchu, avšak při ohřátí na teploty potřebné pro DD reakci vyšší než 150 milionů K bude tlak plazmatu nejméně 2 GPa. V případě DHe3 paliva při cílové teplotě vyšší než 650 milionů K tlak stoupne na více než 8 GPa.

TAE Technologies deklaruje použití HB paliva. Z Lawsonova kritéria vyplývá minimální hustota paliva potřebná pro splnění kritéria vyšší než 10²⁴ částic/m³. Při reakční teplotě vyšší než 1,5 miliardy K tlak plazmatu překročí 20 GPa. Lokální ohřev paliva pomocí injektorů vysokoenergetických svazků atomů sice zpomalí nárůst tlaku, avšak v hustém plazmatu velmi rychle dojde k prohřátí celého objemu a tlak dosáhne uvedené hodnoty.

Pro udržení plazmatu s uvedenými tlaky by bylo nezbytné vytvořit magnetické pole o velikosti 70 T až 400 T v závislosti na konstrukci reaktoru, což je dnes prakticky nebo zcela nedosažitelné. Samostatnou otázkou je pak plánovaná komprese plazmoidu FRC v lineárním magnetickém poli, protože přirozenou tendencí plazmatu bude unikat stlačení ve směru siločar vnějšího pole.

Již při kompresi bude plazma intenzivně ztrácet svou energii radiací. Radiační ztráty plazmatu závisí na druhé mocnině hustoty plazmatu. Při navýšení hustoty o tři řády vzrostou radiační ztráty o šest řádů. Tokamaky pracují s hustotou plazmatu 10¹⁹ až 10²⁰ částic/m³ a dosahují doby udržení energie v plazmatu v milisekundách (malé tokamaky), maximálně okolo 1 sekundy (velké tokamaky). Magneto-inerciální koncepty pracují s hustotou plazmatu o 3 až 4 řády vyšší, takže radiační ztráty vzrostou milionkrát až stomilionkrát. Adekvátně vyšším ztrátám klesne doba udržení energie. Při hustotě 10²³ částic/m³ může klesnout pod 1 mikrosekundu a při hustotě 10²⁴ částic/m³ pod 10 nanosekund. Tato doba udržení energie je tisíc krát až stotisíckrát kratší, než je nezbytná doba pro splnění Lawsonova kritéria.

Vysoký tlak a radiační ztráty hustého plazmatu proto oběma konceptům pravděpodobně zabrání ve splnění Lawsonova kritéria.

Zařízení inerciální fúze magnetizovaných terčů General Fusion s hydraulickými písty (kredit General Fusion)

Koncepce fúze magnetizovaných terčů

Další z populárních konceptů předpokládá stlačení plazmoidů FRC pomocí sférické rázové vlny v rotující kouli roztaveného kovu (lithia nebo slitiny lithia s olovem) pomocí hydraulických, případně parních pístů (General Fusion, Kanada). Plazmoidy FRC jsou vstřeleny do osy rotujícího tekutého kovu a následně stlačeny rázovou vlnou v kovu. Tím má dojít k výraznému nárůstu magnetického pole plazmoidů a zvýšení hustoty paliva až na 10²³ částic/m³. Uvedená hustota při provozní teplotě 150 milionů K odpovídá tlaku paliva přibližně 200 MPa. Za těchto podmínek je pro splnění Lawsonova kritéria potřeba udržet energii v palivu nejméně 1 ms. Mezi kritická místa konceptu patří komprese paliva, a především udržení energie v plazmoidu.

Koncept předpokládá extrémní stlačení plazmoidů, jehož nezbytným předpokladem je vysoce symetrické homogenní stlačení. Nehomogenity a nesymetrie vedou k úniku plazmatu do oblastí s nižším tlakem, k promíchávání látek a generují procesy, bránící stlačení plazmatu. Koncept přitom předpokládá stlačení plazmoidu ve tvaru toroidu tekutým kovem ve tvaru válce, případně přibližné sféry. Odlišná geometrie plazmoidu a kovu způsobí vysoce nehomogenní stlačování. Také principiálně omezený počet pístů generujících rázovou vlnu způsobí výrazné nehomogenity rázové vlny. Koncept spoléhá na rotaci tekutého kovu, která by měla nehomogenity vyrovnat. Avšak rotace nemůže pokrýt celý povrch plazmoidu a vždy zde budou oblasti s nízkou rychlostí rotace anebo zcela bez rotace (póly), ve kterých rotace rozvoji nestabilit nezabrání. Přitom stačí jediné místo, kde dojde k úniku plazmatu, aby k potřebnému stlačení nedošlo. Samotná rotace na rozhraní kov-plazma bude také zdrojem nestabilit způsobených záchytem plazmatu, které budou nehomogenní kompresí zesilovány. Nestability při kompresi na rozhraní dvou kapalin o různé hustotě jsou dobře známé (např. Rayleighova-Taylorova nestabilita) a jsou příčinou neúspěchu výzkumu přímého zapálení inerciální fúze.

Druhým problémem je doba udržení energie. Již při kompresi bude plazma intenzivně ztrácet energii jednak radiací a jednak intenzivním vedením tepla z horkého plazmatu do chladného kovu, se kterým bude v přímém celoplošném kontaktu. Připomeňme, že kov bude mít teplotu v řádu stovek K, zatímco plazma musí být ohřáto na milionkrát vyšší teplotu okolo 150 milionů K.

Radiační ztráty plazmatu závisí na druhé mocnině hustoty plazmatu. Při navýšení hustoty o tři řády vzrostou radiační ztráty milionkrát. Stejně jako v magneto-inerciálních konceptech proto bude při hustotě 10²³ částic/m³ doba udržení energie kratší než 1 mikrosekunda. Tato hodnota nezapočítává ztráty tepla přímým vedením do chladného kovu, které dobu udržení energie dále zkrátí. Doba udržení energie proto bude nejméně tisíc krát kratší, než je nutné pro splnění Lawsonova kritéria.

Ve výsledku nehomogenní stlačení a radiační ztráty hustého paliva pravděpodobně zabrání konceptu splnit Lawsonovo kritérium.

Fúzní reaktor na bázi magnetické pasti Princeton Fusion Systems (kredit Princeton Fusion Systems)

Magnetické koncepty

Alternativní koncepty využívající magnetické pole předpokládají aplikaci pinčů (Zap Energy, USA), plazmatických fokusů (LPP Fusion, USA) nebo magnetických pastí (Lockheed Martin Skunk Works, USA; Princeton Fusion Systems, USA). Podobná zařízení byla dlouhá léta studována a jsou studována dodnes. Lawsonovo kritérium nemohou splnit, protože plazma uniká anebo se hroutí dříve, než splní požadavky kritéria.

Koncept magnetické pasti od firmy Skunk Works patřící do koncernu Lockheed Martin byl jedním z prvních soukromých alternativních konceptů a sliboval fúzní reaktor na korbu náklaďáku do 10 let. To bylo v roce 2014. V předloňském roce byl slibovaný termín smazán z jejich webovských stránek a výsledky nebyly prezentovány žádné.

Inerciální koncepty

Inerciální alternativní koncepty využívají rázovou vlnu. V základu jde o čistě inerciální udržení, kdy je například použit vystřelený projektil. Projektil je buď nasměrován na terč z paliva (First Light Fusion, UK) nebo naopak palivo sám obsahuje (Nearstar Fusion, USA) a o splnění Lawsonova kritéria se postará rázová vlna při dopadu projektilu na terč. Tyto koncepty řádově podceňují potřebný tlak k dosažení inerciální fúze. Podle provedených experimentů je potřeba vyvinout tlak v řádu biliónů atmosfér (10⁸ GPa). Mechanické vytvoření rázové vlny, která by takový tlak vyvinula je technicky nemožné. Nejvyšší tlak dosud dosažený na Zemi při užití nárazových metod byl 7000 GPa, tedy sto tisíckrát menší než potřebný. Obtížně řešitelné by bylo také ukotvení terče, který by musel takovému tlaku odolat. Podle posledních zpráv se zdá, že First Light Fusion svůj koncept již opustila a soustředí se na vývoj specializovaných technologických komponent.

Více fyzikálně zaměřeným přístupem k vytvoření rázové vlny je využití Coulombovských explozí (Electric Fusion Systems, USA). Zdrojem energie těchto explozí je Coulombovská potenciálová bariéra na vzdálenosti atomů v krystalické mřížce, avšak při fúzi potřebujeme jádra dostat mnohem blíže k sobě, kde je bariéra výrazně vyšší. Rázová vlna vzniklá při Coulombovské explozi proto nemůže hustotu paliva výrazně zvýšit.

Inerciálně-elektrostatické koncepty

Koncepty využívající elektrické pole v libovolné kombinaci (Horne Technologies, USA) mají stejnou slabinu jako neutronové generátory s urychlovačem využívajícím reakce svazek-terč. Díky nízké pravděpodobnosti vyvolání fúzní reakce je spotřeba zařízení vždy výrazně vyšší než uvolněný fúzní výkon. Zjednodušeně řečeno, většina urychlených částic uniká, aniž by vyvolala fúzní reakci. Tyto koncepty proto nemohou z fyzikálních důvodů dosáhnout energetického zisku. Výzkum může vést k optimalizaci neutronových generátorů, avšak rozhodně nepovede k fúzním elektrárnám.

Palivo

Samostatným rysem alternativních konceptů je volba paliva. Většina konceptů předpokládá využití DT paliva, shodně s mainstreamovým výzkumem. Cílem použití jiných paliv je zbavit se tritia a fúzních neutronů. Tento cíl je ale v současnosti nerealizovatelný.

DT palivo se používá, protože je to jediné palivo, se kterým jsme schopni splnit Lawsonovo kritérium. Pro DD reakci je Lawsonovo kritérium řádově vyšší než pro DT reakci. HB reakce vůbec nemůže Lawsonovo kritérium splnit, protože radiační ztráty paliva vysoce převyšují dosažitelný fúzní výkon (i když existuje malá naděje, že by při inerciálním udržení mohlo dojít k potlačení vlivu těchto ztrát). Izotop ³He se pro změnu na Zemi téměř nevyskytuje a koncepty předpokládají jeho těžbu na Měsíci.

Kromě toho při DD reakci a DHe3 reakci budou vznikat tritium i fúzní neutrony. Reakce DHe3 je sice bezneutronová, avšak v palivu bude probíhat intenzivní parazitní DD reakce, která tritium a fúzní neutrony produkuje. Jediná skutečně bezneutronová by byla reakce HB.

V blízké budoucnosti je pro elektrárny použitelná pouze DT reakce. Použití reakce DD bude možné, jakmile dokážeme vytvořit mnohem silnější magnetické pole. Použití reakce DHe3 bude možné zvažovat až tehdy, kdy budeme schopni zahájit těžbu na Měsíci. Reakce HB bude použitelná, až budou k dispozici silnější lasery, které umožní vytvořit řádově vyšší hustotu paliva než dnes.

Závěr

Je obtížné posuzovat detailní řešení alternativních konceptů, protože jejich tvůrci zveřejňují jen obecné údaje a výsledky výzkumu publikují jen omezeně. Avšak Lawsonovo kritérium umožňuje posoudit fúzní energetické koncepty z hlediska dosažitelnosti energetického zisku. Pokud má koncept vyrábět užitečnou energii, musí s řádovou rezervou splnit požadavek, aby součin hustoty paliva a doby udržení energie v palivu překročil 10²⁰ s/m³.

Přesná potřebná data nejsou k dispozici. S jistotou lze pouze konstatovat, že se žádný z alternativních přístupů dosud ani zdaleka nepřiblížil ke splnění Lawsonova kritéria, protože by byl takový úspěch bez pochyby velmi hlasitě prezentován.

Video: Jaderná fúze, budoucnost energetiky

Video: Jaderná fúze na Zemi

Video: Lawsonovo kritérium