Čínský tokamak udržel teplotu 120 milionů stupňů Celsia 101 sekund

Reaktor Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) se nachází v městské prefektuře Che-fej v čínské provincii An-chuej.

Když předminulý měsíc udržel plazma při teplotě 120 milionů stupňů Celsia po dobu 101 sekund, překonal svůj předchozí rekord z roku 2017, kdy udržel po podobně dlouhou dobu „jen“ 50 milionů stupňů.

Jaderná či nukleární fúze je typ jaderné reakce, při které dochází ke slučování atomových jader lehčích prvků v jádra těžších prvků a zároveň k uvolnění energie. Termojaderná fúze probíhající za vysokých teplot je zdrojem energie většiny hvězd včetně Slunce. Jaderná fúze je v principu opakem štěpení jader těžkých prvků. Výsledkem je mnohem více energie, ale bez radioaktivního odpadu.

Ačkoli někteří pochybují o vyhlídkách této cesty, koncept bezpečné, čisté a obnovitelné energie z fúze by byl svatým grálem energetických experimentů, píše server Defense One. Klíčovým nástrojem k tomu je právě reaktor typu tokamak.

„Fúze je zdrojem energie hvězd, kterých je v pozorovatelném vesmíru více než zrnek písku na Zemi, takže její zvládnutí je bezpochyby pro lidstvo výzva, srovnatelná třeba s odvěkou touhou lidí létat,“ uvedl k tomu pro Novinky Jan Mlynář z katedry fyziky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské (FJFI) ČVUT v Praze.

Reakce slučování izotopů vodíku na helium mají podle něj ze známých reakcí vůbec nejvyšší podíl přeměny klidové hmotnosti na volnou energii podle vzorce E=mc^2, dvakrát větší než reakce štěpení a mnohamilionkrát větší než při spalování fosilních paliv.

Zveřejněný čínský rekord jako takový nicméně podle Mlynáře není nijak zvlášť průlomový. „Francouzi zvládli udržovat poměrně podobné termojaderné parametry plazmatu v tokamaku Tore Supra už v roce 2003,“ zmínil.

„Tehdy dosáhli Francouzi na svém tokamaku rekordní výboje, ve kterých bylo termonukleární plazma udržováno víceméně neměnné po dobu dokonce šesti minut. Iontová teplota byla řádově 20 milionů stupňů, elektronová kolem sedmdesáti,” upřesnil Mlynář.

„V letošním roce zvládli Číňané na tokamaku EAST elektronovou teplotu zhruba dvakrát větší, kolem 120 milionů, avšak po dobu ‚jen' cca 100 sekund. To je médii považováno za překonání rekordu z roku 2020, kdy korejský tokamak KSTAR zvládl iontovou teplotu přes 100 milionů stupňů po dobu 20 sekund,” popsal odborník, který působí i na Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR.

Připomněl, že všechny tři tokamaky jsou supravodivé a díky tomu zvládají vytvářet potřebnou konfiguraci magnetického pole dlouhodobě. Důležité je, že teploty kolem 100 milionů stupňů jsou již ty „správné” teploty – nejvhodnější pro účinné slučování deuteria a tritia (izotopy vodíku) na helium.

Pro Novinky Mlynář přiznal, že je pro něj těžké stanovit, který z těchto tří rekordů (francouzský, čínský, korejský) je důležitější. „Je to z mého hlediska spíše trochu boj o mediální pozornost,” prohlásil. „Správné by bylo srovnávat také hustotu plazmatu, ta byla ale ve všech třech případech obdobná, zhruba 10milionkrát nižší než hustota vzduchu,” řekl.

U aktuálního čínského úspěchu tak podle Mlynáře jde spíše o úspěšnou technickou extrapolaci dosaženého civilizačního know-how na to, aby to pak trvalo delší dobu. Konečným cílem tokamaku EAST je totiž udržet plazma o teplotě cca 100 milionů °C déle než 1000 sekund, tedy zhruba 17 minut.

Čína zahájila první snahu navrhnout a postavit vlastní tokamak v roce 1998. Samotné zařízení EAST bylo poprvé uvedeno do provozu v roce 2007, stabilní tvorby plazmatu dosahuje téměř 11 let.

„Co je klíčové: Čína (a také Korejská republika) skutečně o úspěch fúze v tomto století velmi usilují, protože se jim řešení energetické situace bez využití moderních jaderných zdrojů v dohledné budoucnosti nejeví ani trochu reálné a udržitelné,“ dodal tuzemský odborník z FJFI ČVUT. Docílení energetické soběstačnosti je pro Peking vysokou prioritou.

„Termojaderná fúze je proces vnitřně bezpečný, protože jakmile velmi vysoké teploty selháním techniky nebo třeba lidského faktoru nezvládneme, tak teplota řídkého lehoučkého plazmatu – je to výboj trochu jako v zářivce – v kontaktu se stěnou reaktoru okamžitě poklesne a termojaderná fúze přestane tím pádem probíhat,“ vysvětlil dále Mlynář.

„Jako pralidé netušili, jaké všechny možnosti pro nás zvládnutí ohně otevře, nejspíše ani my netušíme, jaké všechny možnosti – vedle výroby elektřiny či pohonu raket – nám může zvládnutí fúze otevřít,“ upozornil.

Aplikované fúzní energii jsme každopádně zase „o milimetr blíže“, jak podotkl článek na webu Vědátor, který vzniká v dílně spolku olomouckých studentů a popularizátorů vědy UP Crowd.

Provoz tokamaku EAST je součástí výzkumu a vývoje fúzních technologií, a to zejména pro budovaný tokamak nové generace: Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor (ITER) v jižní Francii.

„Za skutečné rekordy považujeme ty, při nichž se již uvolňuje teplo díky fúzním reakcím, ale v současné době jediný tokamak, který je technicky vybaven na používání vysoce reaktivní směsi fúzních paliv (deuteria a tritia), je JET v Británii, a ten dosáhl rekordního výkonu fúze 16 MW. Protože ale není vybaven supravodivými cívkami, zvládne udržovat termojaderné plazma při stomilionové teplotě jen po dobu několika sekund. Teprve ITER bude mít zároveň supravodivé cívky i vybavení na práci s deuteriem a tritiem. Měl by uvolňovat fúzní výkon 500 MW po dobu asi šesti minut," shrnul Mlynář na závěr.

Spuštění ITER na plný výkon, při jehož návrhu se vědci inspirovali procesy uvnitř Slunce, je plánováno na rok 2035.

Nemalé ambice má v této oblasti kupříkladu i britská soukromá společnost Tokamak Energy v hrabství Oxfordshire, připomněl v červenci server The Daily Mail. Ta v roce 2017 zprovoznila fúzní reaktor ST40 na bázi tokamaku. Záměrem firmy do budoucna je „uměle vytvořené Slunce, které by mohlo zásobovat naši planetu energií”.

Soukromý fúzní reaktor už dle dřívějších slov zástupců britské společnosti dokáže vytvořit plazma o teplotě 100 milionů °C. Dosažení této teploty v kompaktním a nákladově efektivním reaktoru má umožnit využití energie jaderné fúze v komerčním měřítku ve 30. letech.

V rámci soukromého sektoru soupeří Tokamak Energy o rozvoj komerční fúzní energie mj. s americkým leteckým gigantem Lockheed Martin či firmou Amazon.