Momenteel wordt gecontroleerde thermonucleaire fusie heel vaak voorspeld als vervanging voor klassieke kerncentrales en zelfs fossiele brandstoffen, maar ondanks een aantal serieuze successen in deze richting is er nog geen enkel werkend prototype van een thermonucleaire reactor aangetoond. De bouw van de eerste internationale thermonucleaire reactor ITER in Frankrijk (de EU, Rusland, China, India en de Republiek Korea zijn bij het project betrokken) bevindt zich nog in een vroeg stadium van het project. Tegelijkertijd werken het Amerikaanse bedrijf Lockheed Martin, evenals een team van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), aan de ontwikkeling van een efficiënte thermonucleaire reactor. Het waren MIT-experts die in augustus 2015 de ontwikkeling aankondigden van een nieuw project van een vrij compacte tokamak.
Tokamak staat voor ringkernkamer met magnetische spoelen. Dit is een torusvormig apparaat dat is ontworpen om plasma te bevatten om de voorwaarden te bereiken die nodig zijn voor de stroom van gecontroleerde thermonucleaire fusie. Het idee van een tokamak is van Sovjet-fysici. Het voorstel voor het gebruik van gecontroleerde thermonucleaire fusie voor industriële doeleinden, evenals een specifiek schema met behulp van thermische isolatie van een hoge temperatuur plasma door een elektrisch veld, werden voor het eerst geformuleerd door natuurkundige O. A. Lavrentyev in zijn werk geschreven in het midden van 1950. Helaas werd dit werk tot in de jaren 70 "vergeten". De term tokamak is bedacht door IN Golovin, een student van academicus Kurchatov. Het is de tokamak-reactor die momenteel wordt gerealiseerd in het kader van het internationale wetenschappelijke project ITER.
Terwijl de bouw van de ITER-fusiereactor in Frankrijk vrij traag verloopt, hebben Amerikaanse ingenieurs van het Massachusetts Institute of Technology een voorstel gedaan voor een nieuw ontwerp voor een compacte fusiereactor. Dergelijke reactoren, zeiden ze, zouden in slechts 10 jaar commercieel in gebruik kunnen worden genomen. Tegelijkertijd is thermonucleaire energie, met zijn enorme gegenereerde capaciteiten en onuitputtelijke waterstofbrandstof, decennialang slechts een droom en een reeks dure laboratoriumexperimenten en experimenten gebleven. In de loop der jaren hebben natuurkundigen zelfs een grap gemaakt: "De praktische toepassing van thermonucleaire fusie begint over 30 jaar, en deze periode zal nooit veranderen." Desondanks gelooft het Massachusetts Institute of Technology dat de langverwachte doorbraak in energie pas over 10 jaar zal plaatsvinden.
Het vertrouwen van de MIT-ingenieurs is gebaseerd op het gebruik van nieuwe supergeleidende materialen om een magneet te creëren die aanzienlijk kleiner en krachtiger belooft te zijn dan de beschikbare supergeleidende magneten. Volgens professor Dennis White, directeur van het MIT Plasma and Fusion Center, zal het gebruik van nieuwe, in de handel verkrijgbare supergeleidende materialen op basis van zeldzame aarde-bariumkoperoxide (REBCO) wetenschappers in staat stellen compacte en zeer krachtige magneten te ontwikkelen. Volgens wetenschappers zal dit het mogelijk maken om meer kracht en dichtheid van het magnetische veld te bereiken, wat vooral belangrijk is voor plasma-opsluiting. Dankzij nieuwe supergeleidende materialen wordt de reactor volgens Amerikaanse onderzoekers veel compacter dan bestaande projecten, met name de al genoemde ITER. Volgens voorlopige schattingen zal de nieuwe fusiereactor bij hetzelfde vermogen als ITER de halve diameter hebben. Hierdoor zal de constructie goedkoper en gemakkelijker worden.
Een ander belangrijk kenmerk van het nieuwe project van een thermonucleaire reactor is het gebruik van vloeibare dekens, die de traditionele vastestofdekens moeten vervangen, die het belangrijkste "verbruiksmateriaal" zijn in alle moderne tokamaks, aangezien ze de belangrijkste neutronenflux op zich nemen, het in thermische energie. Naar verluidt is de vloeistof veel gemakkelijker te vervangen dan berylliumcassettes in koperen kasten, die vrij massief zijn en ongeveer 5 ton wegen. Het zijn de berylliumcassettes die zullen worden gebruikt bij het ontwerp van de internationale experimentele thermonucleaire reactor ITER. Brandon Sorbom, een van de leidende onderzoekers van het MIT, die aan het project werkt, spreekt van het hoge rendement van de nieuwe reactor in de regio van 3 op 1. Tegelijkertijd is naar eigen zeggen het ontwerp van de rector in de toekomst kan worden geoptimaliseerd, waardoor mogelijk de verhouding tussen de opgewekte energie en de verbruikte energie op het niveau van 6 op 1 kan worden bereikt.
Supergeleidende materialen op basis van REBCO zorgen voor een sterker magnetisch veld, waardoor het plasma gemakkelijker te controleren is: hoe sterker het veld, hoe kleiner het volume van de kern en plasma kan worden gebruikt. Het resultaat zal zijn dat een kleine fusiereactor dezelfde hoeveelheid energie kan produceren als een moderne grote. Tegelijkertijd zal het gemakkelijker zijn om een compacte eenheid te bouwen en deze vervolgens te bedienen.
Het moet duidelijk zijn dat de efficiëntie van een thermonucleaire reactor direct afhangt van de kracht van supergeleidende magneten. De nieuwe magneten kunnen ook worden gebruikt op de bestaande structuur van tokamaks, die een donutvormige kern hebben. Daarnaast zijn er nog een aantal andere innovaties mogelijk. Het is vermeldenswaard dat de grote experimentele tokamak ITER die momenteel in aanbouw is in Frankrijk, in de buurt van Marseille, ter waarde van ongeveer 40 miljard dollar, geen rekening heeft gehouden met de vooruitgang op het gebied van supergeleiders, anders had deze reactor half zo groot kunnen zijn, zou zijn geweest kosten de makers veel goedkoper en zouden sneller zijn gebouwd. Er bestaat echter de mogelijkheid om nieuwe magneten op de ITER te installeren en dit zal in de toekomst het vermogen aanzienlijk kunnen vergroten.
De sterkte van het magnetische veld speelt een sleutelrol bij gecontroleerde thermonucleaire fusie. Door deze kracht 16 keer tegelijk te verdubbelen, neemt de kracht van de fusiereactie toe. Helaas zijn de nieuwe REBCO-supergeleiders niet in staat om de sterkte van het magnetische veld te verdubbelen, maar ze zijn nog steeds in staat om de kracht van de fusiereactie met 10 keer te vergroten, wat ook een uitstekend resultaat is. Volgens professor Dennis White kan binnen ongeveer 5 jaar een thermonucleaire reactor worden gebouwd, die elektrische energie zal kunnen leveren aan ongeveer 100 duizend mensen. Het is nu moeilijk te geloven, maar een baanbrekende doorbraak in energie die het proces van opwarming van de aarde kan stoppen, kan relatief snel gebeuren, praktisch vandaag. Tegelijkertijd is MIT ervan overtuigd dat 10 jaar deze keer geen grap is, maar een echte datum voor het verschijnen van de eerste operationele tokamaks.
