Čtvrtek, 22 října
Shadow

Nové supravodiče by konečně mohly pomoci převést fúzi do praxe

Je to už starý vtip, který mnozí fúzní vědci slyšeli tolikrát, že jsou na něho alergičtí: Prakticky využitelné fúzní elektrárny budou k dispozici za 30 let, a vždy tomu tak bude.

newdesigncou
Tokamak ARC (zdroj: Phys.org)

Avšak nyní by tento vtip konečně mohl přestat platit. Pokroky v technologii supravodivých magnetů umožnily výzkumníkům z americké univerzity MIT navrhnout nový design pro praktický kompaktní fúzní reaktor, který by mohl podle jejich slov být realizován v horizontu deseti let. Nová éra fúzních elektráren, které by nám nabídly prakticky nevyčerpatelný zdroj energie, je tak možná blíže, než jsme mysleli.

Použití nových komerčně dostupných supravodičů – supravodivých pásků ze vzácných měděných oxidů (rare-earth barium copper oxide – REBCO) – na výrobu cívek schopných generovat velmi silná magnetická pole je pro celý design tokamaku naprosto zásadní, říká Dennis Whyte, profesor jaderných věd a inženýrství a vedoucí katedry plazmových věd a fúze univerzity MIT.

Lepší cívky umožňují dosáhnout silnějšího magnetického pole na mnohem menším zařízení, než se dosud předpokládalo. V magnetickém poli je uzavřeno plazma, ve kterém probíhají fúzní reakce. Redukce velikosti umožňuje postavit celé zařízení levněji a rychleji, navíc umožňuje zakomponovat do designu budoucí fúzní elektrárny některé důmyslné systémy. Navrhovaný fúzní reaktor, využívající geometrii tokamaků (toroidní tvar), která je v současnosti podrobena širokému výzkumu, je popisován ve studii v časopise Fusion Engineering and Design. Na článku se podílel Dennis Whyte, postgraduální student Brandon Sorbom a dalších 11 lidí z MIT. Studie začala jako hodina konstrukcí fúzních zařízení vedená Whytem a postupně se z ní stal studenty vedený projekt.

Prototyp elektrárny

Nový fúzní reaktor je navržen pro základní výzkum termojaderné fúze, avšak zároveň má i potenciál na to, aby sloužil jako prototyp fúzní elektrárny se značným výkonem. Základní koncept reaktoru a s ním spojené prvky jsou založeny na dobře vyzkoušených a ověřených principech z desetiletí výzkumů na MIT i po celém světě, uvádí tým.

„Mnohem silnější magnetické pole nám umožňuje dosáhnout mnohem vyšších výkonů,“ uvedl Brandon Sorbom.

Fúze, jaderná reakce která pohání hvězdy, spojuje dvě jádra vodíku v jedno jádro hélia, což doprovází uvolnění velkého množství energie. Nejtěžší část je udržet plazma od stěn komory za pomocí magnetického pole, zatímco se zahřívá na teploty vyšší, než jsou v jádrech hvězd. Právě tady je potřeba dosáhnout silného magnetického pole, aby se super horké plazma udrželo ve středu komory a nedotklo se její stěny.

1-newdesigncou
Postgraduální student Brandon Sorbom drží v jedné ruce supravodič a v druhé klasický vodič, který dokáže přenýst ekvivalentní proud (zdroj: Phys.org)

Zatímco většina charakteristik zařízení má tendenci měnit se přímo úměrně ke změnám v rozměrech, efekt změny síly magnetického pole na fúzní reakci je mnohem více extrémní: dosažitelný fúzní výkon se zvyšuje se čtvrtou mocninou síly magnetického pole. Takže při zdvojnásobení síly magnetického pole je možné dosáhnout šestnáctinásobně vyššího fúzního výkonu. „Jakékoliv zvýšení síly magnetického pole je pro nás tedy obrovská výhra,“ dodal Sorbom.

Desetinásobné zvýšení výkonu

Přestože nové supravodiče nedokážou vyvolat dvakrát tak silné magnetické pole, jsou dost silné na to, aby zvýšily dosažitelný fúzní výkon na desetinásobek oproti fúzním reaktorům využívajícím standardní supravodivé techniky, uvedl Sorbom. Toto dramatické vylepšení povede ke kaskádě potenciálních zlepšení ve fúzních reaktorových designech.

Největší plánovaný fúzní reaktor, obrovské zařízení s názvem ITER, které se nyní staví ve Francii, má podle odhadů vyjít na 40 miliard dolarů. Sorbom a jeho tým z MIT odhaduje, že design jejich reaktoru, který bude mít zhruba poloviční rozměry jako ITER (který byl navrhnut ještě před příchodem nových supravodičů), bude produkovat zhruba stejný výkon při zlomku nákladů a v kratším čase výstavby.

Kromě rozdílů ve velikosti a použitých supravodičích je ale navrhovaný fúzní reaktor nazvaný ARC založen na přesně stejné fyzice jako ITER, uvedl profesor Whyte. „Nenavrhujeme zcela nový druh zařízení,“ dodal.

Další klíčovou výhodou nového designu je metoda vyjmutí fúzní komory z reaktoru, aniž by bylo potřeba rozebírat celé zařízení. Tato vlastnost dělá tento reaktor vhodný pro výzkum zaměřený na další zlepšování systému změnou materiálů či úpravou konstrukce na vyladění výkonu.

Kromě toho nové supravodivé magnety umožní reaktoru pracovat kontinuálně, na rozdíl od dnešních experimentálních fúzních reaktorů, které, bez toho aniž by se přehřály měděné cívky, umožňují udržet fúzní reakci po dobu pouze několika sekund.

Kapalná obálka

Další klíčovou výhodou je, že většina pevných materiálů obálky obepínajících fúzní komoru je nahrazena tekutými materiály, které mohou být snadno vyměněny tím, že budou cirkulovat. Tímto se eliminuje potřeba drahých postupů výměny materiálů obálky, které s časem degradují.

„Panuje zde velmi drsné prostředí, které je pro pevné materiály náročné,“ uvedl Whyte. Nahrazení těchto pevných materiálů tekutými by mohlo být obrovskou výhodou.

Již podle nynějšího návrhu by měl náš reaktor produkovat zhruba třikrát více elektřiny, než spotřebuje. Jeho konstrukce ale pravděpodobně může být upravena tak, že by se tento poměr mohl zvýšit pěti až šestinásobně, prohlásil Sorbom. Dosud žádný fúzní reaktor nevyprodukoval více energie, než spotřeboval, tudíž takovýto poměr spotřeby a výkonu by mohl být zásadním průlomem při vývoji fúzních zařízení, prohlásil tým z MIT.

Navrhovaný fúzní reaktor by mohl vyrábět elektřinu až pro 100 000 lidí. Samotná výroba zařízení s touto velikostí a komplexností by zabrala zhruba pět let, uvedli.

„Fúze bude určitě nejdůležitější zdroj elektrické energie ve 22. století, ale abychom zamezili katastrofickým změnám klimatu, budeme ji potřebovat mnohem dříve,“ prohlásil David Kingham generální ředitel britské společnosti Tokamak Energy Ltd. který s tímto výzkumem není nijak spojen. „Tato studie by nám mohla napovědět jak pokrok v této oblasti urychlit,“ dodal.

„Výzkum týmu z MIT ukazuje, že dosažení silnějšího magnetického pole, což je specialita MIT, může vést k výstavbě mnohem menších a levnějších zařízení, jejichž stavba zabere mnohem kratší čas,“ řekl Kingham. „Studie dosahuje výjimečné kvality. Dalším krokem by bylo design zdokonalovat a zpracovat více technických detailů. Tento výzkum by však již nyní měl chytat pozornost tvůrců politik, mecenášů a soukromých investorů.“

Zdroj: Phys.org

2 Comments

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..