Obecnie bardzo często przewiduje się kontrolowaną syntezę termojądrową jako zamiennik klasycznych elektrowni jądrowych, a nawet paliw kopalnych, jednak pomimo szeregu poważnych sukcesów w tym kierunku, nie zademonstrowano jeszcze ani jednego działającego prototypu reaktora termojądrowego. Budowa pierwszego międzynarodowego reaktora termojądrowego ITER we Francji (w projekt zaangażowane są UE, Rosja, Chiny, Indie i Republika Korei) jest wciąż na wczesnym etapie projektu. W tym samym czasie nad opracowaniem wydajnego reaktora termojądrowego pracuje amerykańska korporacja Lockheed Martin oraz zespół badaczy reprezentujących Massachusetts Institute of Technology (MIT). To właśnie eksperci MIT ogłosili w sierpniu 2015 r. opracowanie nowego projektu dość kompaktowego tokamaka.
Tokamak oznacza komorę toroidalną z cewkami magnetycznymi. Jest to urządzenie w kształcie torusa zaprojektowane do przechowywania plazmy w celu uzyskania warunków niezbędnych do przepływu kontrolowanej fuzji termojądrowej. Sama idea tokamaka należy do fizyków radzieckich. Propozycja zastosowania kontrolowanej syntezy termojądrowej do celów przemysłowych, a także konkretny schemat wykorzystujący izolację termiczną plazmy wysokotemperaturowej za pomocą pola elektrycznego, po raz pierwszy sformułował fizyk O. A. Ławrentiew w swojej pracy napisanej w połowie 1950 r. Niestety o tej pracy „zapomniano” aż do lat 70. XX wieku. Sam termin tokamak został ukuty przez IN Golovina, ucznia akademika Kurchatova. To właśnie reaktor tokamakowy powstaje obecnie w ramach międzynarodowego projektu naukowego ITER.
Podczas gdy prace nad stworzeniem reaktora termojądrowego ITER we Francji postępują dość wolno, amerykańscy inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology wystąpili z propozycją nowego projektu kompaktowego reaktora termojądrowego. Powiedzieli, że takie reaktory można by wprowadzić do komercyjnej eksploatacji w ciągu zaledwie 10 lat. Jednocześnie energia termojądrowa, z ogromnymi generowanymi mocami i niewyczerpanym paliwem wodorowym, od dziesięcioleci pozostaje tylko marzeniem i serią kosztownych eksperymentów i eksperymentów laboratoryjnych. Z biegiem lat fizycy nawet żartowali: „Praktyczne zastosowanie syntezy termojądrowej rozpocznie się za 30 lat, a ten okres nigdy się nie zmieni”. Mimo to Massachusetts Institute of Technology wierzy, że długo oczekiwany przełom w energetyce nastąpi już za 10 lat.
Zaufanie inżynierów MIT opiera się na wykorzystaniu nowych materiałów nadprzewodzących do stworzenia magnesu, który ma być znacznie mniejszy i mocniejszy niż dostępne magnesy nadprzewodzące. Według profesora Dennisa White'a, dyrektora MIT Plasma and Fusion Center, zastosowanie nowych dostępnych na rynku materiałów nadprzewodzących opartych na tlenku baru i miedzi (REBCO) ziem rzadkich umożliwi naukowcom opracowanie kompaktowych i bardzo silnych magnesów. Zdaniem naukowców pozwoli to na uzyskanie większej mocy i gęstości pola magnetycznego, co jest szczególnie ważne przy ograniczaniu plazmy. Dzięki nowym materiałom nadprzewodzącym reaktor, zdaniem amerykańskich naukowców, będzie znacznie bardziej kompaktowy niż istniejące projekty, w szczególności wspomniany już ITER. Według wstępnych szacunków, przy tej samej mocy co ITER, nowy reaktor termojądrowy będzie miał połowę średnicy. Dzięki temu jego budowa stanie się tańsza i łatwiejsza.
Kolejną kluczową cechą nowego projektu reaktora termojądrowego jest zastosowanie płaszczy ciekłych, które powinny zastąpić tradycyjne płaszcze półprzewodnikowe, które są głównym „materiałem zużywalnym” we wszystkich nowoczesnych tokamakach, ponieważ przejmują główny strumień neutronów, przekształcając w energię cieplną. Podobno płyn jest znacznie łatwiejszy do wymiany niż kasety berylowe w miedzianych obudowach, które są dość masywne i ważą około 5 ton. To właśnie kasety berylowe zostaną wykorzystane w projekcie międzynarodowego eksperymentalnego reaktora termojądrowego ITER. Brandon Sorbom, jeden z czołowych badaczy MIT, który pracuje nad projektem, mówi o wysokiej sprawności nowego reaktora w rejonie 3 do 1. Jednocześnie, jak sam mówi, projekt rektora w przyszłości można zoptymalizować, co ewentualnie pozwoli na osiągnięcie stosunku energii generowanej do energii zużywanej na poziomie 6 do 1.
Materiały nadprzewodzące oparte na REBCO zapewnią silniejsze pole magnetyczne, co ułatwi sterowanie plazmą: im silniejsze pole, tym mniejszą objętość rdzenia i plazmy można wykorzystać. W rezultacie mały reaktor termojądrowy może wytworzyć taką samą ilość energii jak nowoczesny duży. Jednocześnie łatwiej będzie zbudować kompaktową jednostkę, a następnie ją obsługiwać.
Należy rozumieć, że sprawność reaktora termojądrowego zależy bezpośrednio od mocy magnesów nadprzewodzących. Nowe magnesy można również zastosować na istniejącej konstrukcji tokamaków, które mają rdzeń w kształcie pączka. Ponadto możliwych jest wiele innych innowacji. Warto zauważyć, że budowany obecnie we Francji pod Marsylią duży eksperymentalny tokamak ITER o wartości około 40 miliardów dolarów nie uwzględniał postępu w dziedzinie nadprzewodników, w przeciwnym razie reaktor mógłby być o połowę mniejszy. kosztowała twórców znacznie taniej i zostałaby zbudowana szybciej. Istnieje jednak możliwość zainstalowania na ITER nowych magnesów, co w przyszłości będzie w stanie znacznie zwiększyć jego moc.
Siła pola magnetycznego odgrywa kluczową rolę w kontrolowanej fuzji termojądrowej. Podwojenie tej siły 16 razy na raz zwiększa siłę reakcji fuzji. Niestety nowe nadprzewodniki REBCO nie są w stanie podwoić siły pola magnetycznego, ale mimo to są w stanie 10-krotnie zwiększyć moc reakcji fuzji, co również jest doskonałym wynikiem. Według prof. Dennisa White'a reaktor termojądrowy, który będzie w stanie dostarczyć energię elektryczną około 100 tys. osób, może powstać w ciągu około 5 lat. Teraz trudno w to uwierzyć, ale epokowy przełom energetyczny, który może powstrzymać proces globalnego ocieplenia, może nastąpić stosunkowo szybko, praktycznie dzisiaj. Jednocześnie MIT jest przekonany, że tym razem 10 lat to nie żart, a realna data pojawienia się pierwszych operacyjnych tokamaków.
