Nowy rekord dotyczący energii termojądrowej

Naukowcy wytworzyli, po czym utrzymali plazmę wodorową o wysokiej energii przez rekordowy czas ośmiu minut. O osiągnięciu poinformował Instytut Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka (IPP) w Niemczech, w którym znajduje się instalacja.

Celem badań nad syntezą jądrową jest stworzenie przyjaznej dla klimatu i środowiska elektrowni termojądrowej. Podobnie jak Słońce ma ona generować energię z syntezy jąder atomowych. Fuzja termojądrowa nie powoduje powstawania radioaktywnych odpadów, które trzeba bezpiecznie przechowywać przez tysiące lat. Nie ma też niebezpieczeństwa niekontrolowanej reakcji łańcuchowej. Produktem ubocznym reakcji termojądrowej deuteru i trytu jest niewielka ilość helu. Paliwo termojądrowe można pozyskiwać z wody morskiej (deuter) i uzyskiwać w obiegu zamkniętym w elektrowni (tryt).

Aby doszło do syntezy termojądrowej, potrzebna jest temperatura powyżej 100 milionów stopni. Pełniąca rolę paliwa plazma wodorowa nie może stykać się ze ścianami komory próżniowej - z dala od nich utrzymują ją pola magnetyczne.

Zbudowany na terenie niemieckiego instytutu Wendelstein 7-X to eksperymentalny stellarator - urządzenie, które podobnie jak tokamak służy do wytwarzania plazmy i przeprowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej. Twórcą koncepcji stellaratora był w 1950 amerykański fizyk i astrofizyk Lyman Spitzer.

Zaletą stellaratorów jest to, że w odróżnieniu od tokamaków plazma stabilizuje się w nich sama, bez konieczności przepuszczania przez nią prądu. Jest to możliwe dzięki ukształtowaniu plazmy w sposób przypominający kilkukrotnie skręconą wstęgę Mobiusa. Do tego potrzebna jest skomplikowana komora, otoczona cewkami magnesów o złożonych kształtach. Klatka magnetyczna Wendelsteina 7-X jest utworzona przez pierścień 50 nadprzewodzących cewek magnetycznych, których skomplikowane kształty są wynikiem wyrafinowanych obliczeń optymalizacyjnych.

Wendelstein 7-X, największy ukończony reaktor fuzyjny oparty na technologii stellaratora, został wybudowany w Instytucie Fizyki Plazmowej im. Maksa Plancka w Greifswaldzie w ramach europejskiego programu syntezy jądrowej. Budowę zakończono w kwietniu 2014, a pierwszą plazmę helową wytworzono 10 grudnia 2015 roku, utrzymując ją przez ułamki sekundy.

Podczas trwających trzy lata prac wykończeniowych (które zakończyły się latem ubiegłego roku) Wendelstein 7-X został wyposażony przede wszystkim w wodne chłodzenie elementów ściennych oraz zmodernizowany system grzewczy. Ten ostatni może teraz przekazać do plazmy dwa razy więcej energii, niż wcześniej. Teraz eksperymenty dotyczące syntezy jądrowej mogą być prowadzone w nowych zakresach parametrów. "Obecnie badamy drogę ku coraz wyższym wartościom energetycznym" - powiedział prof. dr Thomas Klinger z Instytutue Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka (IPP) w Greifswaldzie, cytowany w informacji prasowej. - "Robiąc to, musimy postępować krok po kroku, aby nie przeciążyć i nie uszkodzić obiektu".

Jesienią 2022 udało się ponownie uruchomić stellarator. W 2023 roku celem operujących tam badaczy było osiągniecie energii poziomie 1 gigadżula. 15 lutego 2023 naukowcom udało się osiągnąć nowy kamień milowy: energię wyładowania 1,3 gigadżula - i utrzymać gorącą plazmę przez osiem minut.

1,3 gigadżula to 17 razy więcej, niż najlepsza wartość osiągnięta przed przebudową (75 megadżuli). Energię oblicza się, mnożąc moc grzewczą przez czas trwania wyładowania. Praca elektrowni opartej na syntezie jądrowej możliwa byłaby tylko przy wprowadzaniu dużych ilości energii do plazmy, a jednocześnie sprawnym odprowadzaniu powstającego ciepła.

Do rozpraszania największych przepływów ciepła w Wendelstein 7-X stosowane są szczególnie odporne na ciepło przegrody. Stanowią one część wewnętrznej ściany, która od czasu ukończenia urządzenia jest obecnie chłodzona systemem 6,8 km rur doprowadzających wodę. Żaden inny obiekt termojądrowy na świecie nie posiada obecnie tak kompleksowo chłodzonej ściany wewnętrznej.

Ogrzewanie plazmy odbywa się dzięki trzem elementom: nowo zainstalowanemu ogrzewaniu jonowemu, ogrzewaniu za pomocą rozpędzonych cząstek neutralnych i ogrzewaniu mikrofalami. Dla obecnego rekordu szczególnie ważny był system ogrzewania mikrofalowego, ponieważ dostarcza on duże ilości energii w ciągu kilku minut. Energia 1,3 gigadżula została osiągnięta przy średniej mocy grzewczej 2,7 megawata, przy czym rozładowanie trwało 480 sekund. To także nowy rekord dla Wendelstein 7-X i jedna z najlepszych wartości na świecie. Przed pracami wykończeniowymi Wendelstein 7-X osiągał maksymalne czasy utrzymania plazmy wynoszące 100 sekund przy znacznie niższej mocy grzewczej.

W ciągu kilku lat planuje się zwiększenie energii w Wendelstein 7-X do 18 gigadżuli, przy czym plazma będzie utrzymywana stabilnie przez pół godziny.

Specjaliści nie poinformowali mediów, jaką dokładnie temperaturę osiągnęła plazma w Wendelstein 7-X.

Wiadomo jednak, że w maju roku 2021 Chińczycy w tokamaku HL-2M utrzymali 120 milionów stopni Celsjusza przez 101 sekund. W styczniu 2022 w chińskim tokamaku EAST rozgrzaną do 70 milionów stopni Celsjusza plazmę utrzymano przez 17 minut i 36 sekund. Na początku 2022 roku naukowcy pracujący przy tokamaku JET w Wielkiej Brytanii poinformowali, że uwolnili poprzez fuzję 59 MJ energii w postaci ciepła, bijąc tym samym rekord w produkcji energii z tej reakcji. Z kolei Amerykanom z National Ignition Facility (NIF) po raz pierwszy udało się w grudniu 2022 uzyskać nadwyżkę energii wytworzonej nad dostarczoną, co - jak podkreślali - daje nadzieję na zbudowanie opłacalnych energetycznie elektrowni termojądrowych.

Paweł Wernicki