Padł rekord energetyczny dla syntezy jądrowej. "To jest przyszłość"

Fuzja termojądrowa to proces, który "zasila" gwiazdy takie jak nasze Słońce. Z fizycznego punktu widzenia to proces połączenia dwóch atomów, na przykład deuteru z deuterem albo deuteru i trytu, które tworzą inny atom, czyli hel. Przy okazji tego procesu wydziela się energia. Jądra atomów mają ładunek dodatni, dlatego się odpychają. Do zderzenia można je jednak zmusić, na przykład kompresując plazmę impulsem laserowym albo rozpędzając je przez podgrzewanie gazu do bardzo wysokiej temperatury, sięgającej 80 albo 100 milionów stopni Celsjusza. Im temperatura jest wyższa, tym większa jest prędkość i szansa, że atomy zdążą się ze sobą zderzyć.

Plazmę można podgrzewać mikrofalami, przepuszczając przez nią prąd albo za pomocą iniektorów, wstrzeliwujących w obszar plazmy rozpędzoną wiązkę atomów deuteru. Po podgrzaniu plazma zaczyna produkować energię. Podobnie jak w elektrowni węglowej czy atomowej, ciepło odbierane jest za pomocą wody.

Fuzję można przeprowadzać w stellaratorach lub tokamakach, czyli urządzeniach, które służą do przeprowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej. Główna komora w tych urządzeniach jest w kształcie torusa (pierścienia). Fuzja odbywa się w specjalnym zbiorniku, w którym panuje bardzo niskie ciśnienie. Plazma jest tak gorąca, że nie może mieć bezpośredniego kontaktu ze ściankami zbiornika. Jest utrzymywana w zwartym słupie wewnątrz pierścienia dzięki silnemu polu magnetycznemu. Energia uwalnia się w postaci ciepła, które można przekształcić w energię elektryczną.

Według ekspertów opanowanie fuzji termojądrowej w dalszej perspektywie oznacza źródło czystej energii elektrycznej z wykorzystaniem niewielkiej ilości paliwa, które można pozyskiwać na całym świecie z niedrogich materiałów. Fuzja jest także z natury bezpieczna, gdyż nie może rozpocząć procesu, którego nie da się kontrolować, tak jak w przypadku rozszczepu atomu.

Naukowcy od lat starają się opanować kolejne kroki w tym procesie. Nowe osiągnięcie zostało dokonane w ramach kampanii eksperymentalnej EUROfusion. Celem tej kampanii jest weryfikacja 20-letnich efektów badań syntezy jądrowej i przygotowanie do rozpoczęcia innego międzynarodowego projektu - ITER.

Eksperyment, o którym poinformował w środę międzynarodowy zespół ekspertów przeprowadzono w tokamaku Joint European Torus (JET), który powstał i działa w Culham w Wielkiej Brytanii jako Wspólne Przedsięwzięcie Wspólnoty Europejskiej od 1977 roku.

W reakcjach syntezy jądrowej uwolniono 59 megadżuli energii w postaci ciepła podczas pięciosekundowej fazy wyładowania plazmy. Wyrażając to w jednostkach mocy (energia na jednostkę czasu), tokamak JET osiągnął uśrednioną moc wyjściową nieco ponad 11 megawatów (megadżuli na sekundę) w ciągu pięciu sekund. Poprzedni rekord energetyczny z 1997 r. (ustanowiony przez JET i także dotyczący deuteru i trytu) wynosił niecałe 22 megadżule całkowitej energii i 4,4 megawata mocy uśrednionej podczas pięciu sekund (to ponad 2,5 raza mniej niż wynosi nowy rekord).

Konsorcjum EUROfusion złożone jest z 30 organizacji badawczych oraz 150 podmiotów stowarzyszonych, w tym uczelni i firm z 25 krajów Unii Europejskiej oraz Wielkiej Brytanii, Szwajcarii i Ukrainy. Łącznie to około 4800 ekspertów, studentów i pracowników. Polskę reprezentuje w nim Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM).

Program EUROfusion ma dwa cele. Jednym z nich jest przygotowanie do eksperymentów na tokamaku ITER, drugi to natomiast opracowanie koncepcji przyszłej europejskiej demonstracyjnej elektrowni termojądrowej EU DEMO.

- Jeśli jesteśmy w stanie kontrolować fuzję przez pięć sekund, możemy to robić przez pięć minut, a następnie przez pięć dni, w miarę zwiększania skali funkcjonowania urządzeń w przyszłości - tak wyniki uzyskane w tokamaku JET podsumowuje Tony Donné, manager programu EUROfusion.

Jak komentuje dyrektor ITER Bernard Bigot, "stabilne wyładowanie deuteru z trytem na tym poziomie energetycznym - prawie na skalę przemysłową - potwierdza sens działania wszystkich zaangażowanych w fuzję na świecie". - W przypadku projektu ITER wyniki JET pozwalają nam zakładać, że jesteśmy na dobrej drodze do zademonstrowania mocy syntezy jądrowej - dodaje.

Doktor habilitowana Agata Chomiczewska z IFPiLM podkreśla, że nowe wyniki stanowią zwieńczenie ważnego etapu badań nad kontrolowaną syntezą jądrową. - Coraz bardziej realna staje się wizja opracowania technologii bezpiecznego wytwarzania naprawdę czystej i taniej energii - dodaje.

Jak zaznacza natomiast Monika Kubkowska z IFPiLM i członek Rady Zarządzającej konsorcjum EUROfusion, energia termojądrowa "jest przyszłością", a "świat potrzebuje czystej, niskoemisyjnej i nieograniczonej energii".

Tokamak JET powstał i działa w Culham w Wielkiej Brytanii jako Wspólne Przedsięwzięcie Wspólnoty Europejskiej od 1977 r. Od 2000 r. obiekt obsługuje go UK Atomic Energy Authority (UKAEA). Poprzednie eksperymenty z paliwem dla przyszłych elektrowni termojądrowych przeprowadzono tam w 1997 r. Tryt jest rzadkim surowcem, który również stwarza szczególne trudności, dlatego zespoły badawcze zwykle używają wodoru lub deuteru podczas wykonywania eksperymentów z plazmą. Surowiec ten w przyszłych elektrowniach będzie powstawał z litu podczas produkcji energii.

JET jest obecnie największym na świecie obiektem syntezy jądrowej i jedynym działającym tokamakiem na świecie, który może wykorzystywać tę samą mieszankę paliwową deuteru i trytu (D-T), jaka została zaplanowana dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

Plazma osiąga w nim temperaturę 150 mln stopni Celsjusza, czyli 10 razy wyższą niż wewnątrz Słońca. W tokamaku JET można osiągnąć warunki podobne do tych, jakie panują w przyszłych elektrowniach termojądrowych i w innym urządzeniu ITER, dla którego JET stanowi poligon doświadczalny. Reaktor eksperymentalny ITER to z kolei większa i bardziej zaawansowana wersja tokamaka, budowana w południowej Francji jako jeden z największych wspólnych projektów naukowych w historii. ITER powstał we współpracy pomiędzy Chinami, UE, Indiami, Japonią, Koreą Południową, Rosją i Stanami Zjednoczonymi. Stanowi element projektu badawczego poświęconego badaniom nad syntezą jądrową, a jego cel to demonstracja naukowych i technologicznych możliwości energii termojądrowej. Naukowcy mają nadzieję, że wykorzystując paliwo deuterowo-trytowe ITER będzie w stanie uwolnić dziesięć razy więcej energii niż jest dostarczane do plazmy w postaci energii grzewczej.

Aby maksymalnie zbliżyć najnowszy eksperyment JET do przyszłych warunków ITER-a, poprzednia węglowa wyściółka komory plazmowej została zastąpiona mieszanką berylu i wolframu. Wolfram jest bardziej odporny niż węgiel, który ponadto magazynuje za dużo wodoru. Jednak metalowa ściana stawia nowe wymagania co do jakości sterowania plazmą.

Eksperymenty prowadzone w reaktorach syntezy jądrowej pozwolą lepiej opanować procesy niezbędne do uzyskiwania energii termojądrowej w odległej przyszłości. Badacze uczą się dzięki temu, jak otrzymywać plazmę (czyli "gorący kawałek Słońca") przez dłuższy czas w polu magnetycznym i pozyskiwać z niego energię. To warunek, aby przyszłe elektrownie termojądrowe mogły działać.