Předstihnou soukromá fúzní zařízení ITER?  
V nedávné době investoři významně podpořili 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?

Fúzní zařízení Norman (zdroj TAE Technologies).
Fúzní zařízení Norman (zdroj TAE Technologies).

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“. Podívejme se, jaká je realita.

 

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 dramatické. 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

Fúzní zařízení Norman (zdroj TAE Technologies).
Fúzní zařízení Norman (zdroj TAE Technologies).

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.

 

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

Zobrazení vnitřních částí tokamaku EAST (foto Xinhua).
Zobrazení vnitřních částí tokamaku EAST (foto Xinhua).

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.

 

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.

Jihokorejský tokamak KSTAR (zdroj KIFE).
Jihokorejský tokamak KSTAR (zdroj KIFE).

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.

 

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.

Divertor fúzního zařízeni Trento firmy Helion (zdroj Helion).
Divertor fúzního zařízeni Trento firmy Helion (zdroj Helion).

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.

 

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.

 

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.

Schéma budovaného nového tokamaku COMPASS Upgrade (zdroj ÚFP AV ČR).
Schéma budovaného nového tokamaku COMPASS Upgrade (zdroj ÚFP AV ČR).

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 ( v Ústavu fyziky plazmatu) buduje nový, vylepšený tokamak COMPASS.

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.

 


 


Datum: 12.12.2021
Tisk článku

Související články:

Současný stav a budoucnost jaderné energetiky     Autor: Vladimír Wagner (03.09.2017)
Jak daleko jsme pokročili k jaderné fúzi?     Autor: Vladimír Wagner (17.05.2020)
Čínský tokamak EAST dosáhl nového fúzního rekordu     Autor: Stanislav Mihulka (04.06.2021)
Zlom v cestě k inerciální fúzi a budoucím mezihvězdným pohonům     Autor: Vladimír Wagner (04.12.2021)



Diskuze:

Minule jsem psal

Petr Vojvodik,2021-12-15 11:39:17

Že ve sferomacich zvládají díky AI lépe stabilizovat plazma, což je ta cesta ke zdaru fúze. Koncept tae.com je velmi podobný poslední práci pana Lavrentěva. Jistě víte, kdo to byl. Je potřeba hledat složitě na amerických, ukrajinskych stránkách.
Hlavně AI učení je mocná čarodějka.
Chápu, že v ustavu fyziky potřebují dokončit compass.

Odpovědět


Re: Minule jsem psal

Vladimír Wagner,2021-12-15 13:53:05

Pane Vojvodíku, hodnoty teplot a součinu hustoty a doby udržení jsou známy. Úspěšnost fúzního zařízení při cestě k udržitelné termojaderné fúzi jsou dány jejími schopnostmi je dosáhnout. V článku, pod kterým diskutujeme, jsem ukázal, že Vámi propagovaná privátní zařízení jsou v těchto parametrech až řádově za tokamaky. To jsou jasná fakta. Vy jste žádná jiná nepředložil. Jen fráze o podpoře darpa ... Ano, americká armáda opravdu firmu Tae podporuje. Důvodem však není perspektiva zavedení termojaderné elektrárny, ale možnost zkoumání plazmatu a jeho chování při termojaderných explozích. Z podobných důvodů postavila americká vláda zařízení NIF.
Metody umělé inteligence se využívají i ve fúzním výzkumu na tokamacích. A opravdu nic nezmění na fyzice.
Jak je vidět z Vašich příspěvků, vy o vědě, fyzice, termojaderné fúzi, technologiích s ní spojených nevíte vůbec nic. Prosím, alespoň něco malinko si nastudujte (alespoň na úrovní středoškolské fyziky) než začnete zase razantně vyhlašovat nesmysly.

Odpovědět


Re: Re: Minule jsem psal

Petr Vojvodik,2021-12-15 21:06:19

Pane Wagner, máte špatně nastavená pravidla pro pravděpodobnost fúze.
Důležitá je stabilita plazmatu. Pro mne to také bylo prekvapením.
Před rokem.
Zkuste hledat.
Otazka je spíš, co nám to přinese.
Bude to stabilní zdroj ee?
Jaká bude jeho výdrž?
Zajímavé je, že jsem měl bloklý přístup na osel.cz cca 12 hodin.

Odpovědět

Pane wagner, děkuji za článek

Petr Vojvodik,2021-12-15 09:44:38

Kde jsem zmiňován. Prý mimo realitu. Problém informaci okolo sferomaku, či spíše dynomaku je, že vše je vedeno pod darpa. Amíci nic moc zverejnovat nemohou, třebaže se jedná o soukromé firmy. Zkoumal jsem a hledal před rokem z veřejně dohledatelnych us zdrojů. Tzn. Americké úřady tae.com léta podporují. Zařízení není drahé na výrobu a provoz také ok, pokud jim nebudou Neutrony z fúze ničit supravodive magnety uvnitř nádoby.
Měl by jste si to dostudovat.

Odpovědět

Pane wagner, děkuji za článek

Petr Vojvodik,2021-12-15 09:44:37

Kde jsem zmiňován. Prý mimo realitu. Problém informaci okolo sferomaku, či spíše dynomaku je, že vše je vedeno pod darpa. Amíci nic moc zverejnovat nemohou, třebaže se jedná o soukromé firmy. Zkoumal jsem a hledal před rokem z veřejně dohledatelnych us zdrojů. Tzn. Americké úřady tae.com léta podporují. Zařízení není drahé na výrobu a provoz také ok, pokud jim nebudou Neutrony z fúze ničit supravodive magnety uvnitř nádoby.
Měl by jste si to dostudovat.

Odpovědět

Pane wagner, děkuji za článek

Petr Vojvodik,2021-12-15 09:44:36

Kde jsem zmiňován. Prý mimo realitu. Problém informaci okolo sferomaku, či spíše dynomaku je, že vše je vedeno pod darpa. Amíci nic moc zverejnovat nemohou, třebaže se jedná o soukromé firmy. Zkoumal jsem a hledal před rokem z veřejně dohledatelnych us zdrojů. Tzn. Americké úřady tae.com léta podporují. Zařízení není drahé na výrobu a provoz také ok, pokud jim nebudou Neutrony z fúze ničit supravodive magnety uvnitř nádoby.
Měl by jste si to dostudovat.

Odpovědět

A co generovani elektriny ?

?????? ?????????,2021-12-13 19:08:30

V jednom ze soukromnych projektu je podle mne nesmirne vyznamny koncept primeho generovani proudu, vyuzivajici zachytavani elektromagnetickeho pole vznikajiciho pri fuzi. To je principialni skok kupredu, vsechny ostatni projekty nadale pocitaji s primitivni produkci pary a turbinami... Byl by vhodny obsahlejsi clanek o tomto principu a proc se zatim ostatni projekty natolik drzi stovek let stareho postupu...

Odpovědět


Re: A co generovani elektriny ?

Pavel A1,2021-12-13 19:41:58

Pokud jsem to dobře pochopil, nejedná se o žádný utramoderní ultravýznamný a doposud neznámý koncept, jedná o starou dobrou "stovky let starou" magnetickou indukci. Protože při fúzi deuteria s heliem3 většinu energie odnáší nabité protony, dojde při fúzi ke vzrůstu proudu v plazmatu, tím naroste magnetické pole a to indukuje proud v cívce umístěné u nádoby držící plazmat. Ale, jak pan Wagner píše, reakce deuteria s heliem3 je pro fúzi mnohem nevýhodnější než reakce deuteria s triciem. Proto se v ITERu a dalších tokamacích nyní používá reakce deuteria s triciem, při které většinu energie odnáší neutrony, ty, protože jsou neutrální, žádné magnetické pole negenerují, a proto se tam podobný princip použít nedá.

Různé jiné způsoby převodu energie na elektrickou energii se samozřejmě stále hledají a zkoušejí, bohužel se zatím nic lepšího než ten "stovky let starý postup" nenašlo. Například v Sovětském Svazu zkoušeli přímé generování elektřiny usměrněním plazmatu vzniklého ve vysokoteplotním reaktoru mezi magnety, které oddělily kladné ionty od elektronů, a jejich následným vyvedením přímo na elektrody. Skončili s tím kvůli tragicky nízké účinnosti (pod 10%) a tragicky nízké životnosti celého generátoru (řádově dny).

Ne všechno staré je špatné, kupříkladu dýchání kyslíku na Zemi provozujeme už dvě miliardy let a stále nám to dobře slouží.

Odpovědět


Re: A co generovani elektriny ?

Jozef Martinkovič,2021-12-14 15:07:12

Je viac spôsobov prevodu kinetickej energie nabitých častíc na elekrinu. Vic napríklad tu: https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_energy_conversion . Píšu tam o teoretickej efektivite konverzie (účinnosti) - od 60% do 90% podľa metódy konverzie. Pre porovnanie klasické tepelné elektrárne, vrátene jadrových, majú účinnost cca 35% - 40%. S vyššou teplotou média účinnosť prevodu rasie. Pri pouzití plynovej turbíny v kobinovnom cykle bola dosiahnutá účinnosť cca 64%.

Odpovědět

Tomas Novak,2021-12-13 05:05:15

V článku je několik nepřesnosti
Tokamaky nedosahují času udržení energie stovek sekund. Nejvíse sekundy v JETu. Délka plazmatu může být řádově delší než čas udržení energie. Experimenty v Eastu dosahují vysokých elektronovych teplot při velmi nízké hustote, trojny součin není vyšší než se dosahuje v jiných zařízeních.

Zajímalo by mě o kolik je náročnější p+B reakce než D+T. p+B potřebuje skoro o řád vyšší teploty, a přesto má o řád nižší účinný průřez. Má polovicni zisk energie na jednu reakci, ppro dosažení stejného hustoty reaktantu je zapotrebi trojnásobně elektronové hustoty. A ochlazovani brzdnym záření bude z do duvodu vyšší teploty, hustoty a efektivního náboje několikanásobne.

Odpovědět


Re:

Vladimír Wagner,2021-12-13 09:16:28

Máte pravdu, že se při dosažení delších dob udržení většinou dosáhla kratší doba udržení. Zároveň byly i teploty na KSTAR a EAST nižší, než u špičkových výkonu JET. To, že JET má ten trojný součin pořád nejvyšší, je dáno hlavně tím, že má zhruba dvojnásobné rozměry. V článku píši, že parametry udržení škálují s rozměrem zařízení. Naopak nové menší tokamaky (EAST, KSTAR) jsou plně na supravodivých magnetech a mají řadu vylepšení. Ty se testují a ověřují a umožňují jim dosahovat rekordní hodnoty jednotlivých parametrů. Pokud se tato vylepšení využijí u většího zařízení, překoná toto zásadně JET.
Podmínky pro využití reakce protonu s borem jsou opravdu dramaticky náročnější. Ono, náročnější jsou i podmínky pro využití helia a deuteria. Deuterium s tritiem je opravdu nejjednodušší. Helion se obrací na tyto reakce hlavně proto, že u nich má největší smysl ta přímá konverze energie na elektřinu. Podle mého názoru však to využití reakce protonu a bóru je hodně daleko.

Odpovědět

Milan Šimkovič,2021-12-12 23:40:01

Keď už bol spomenutý Elon Musk, teraz predal akcie Tesly za 12 miliárd USD - vôbec by som sa nedivil, keby časť tejto hotovosti zainvestoval do nejakého startupu na fúznu energiu.

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku








Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace