Eksperymenty z syntezą jądrową. Dały rekordowe wyniki

Naukowcy z europejskiego konsorcjum badawczego EUROfusion, w którego prace zaangażowani są także polscy badacze, zakończyli eksperymenty w JET (Joint European Torus) - wiodącym na świecie ośrodku badań nad syntezą jądrową. Eksperymenty te przyniosły nowy rekord w zakresie produkcji energii. W JET uzyskano 69 megadżuli energii z syntezy jądrowej przy zużyciu zaledwie 0,2 miligrama paliwa.

JET to tokamak, czyli urządzenie, które wykorzystuje silne pola magnetyczne do zamknięcia plazmy w komorze w kształcie torusa. W większości przypadków przeprowadzania komercyjnej syntezy jądrowej preferowane jest zastosowanie dwóch wariantów wodoru – deuteru i trytu.

W październiku ubiegłego roku w tokamaku JET zakończono trzecią i jednocześnie ostatnią kampanię eksperymentalną z użyciem deuteru i trytu (DTE3). W eksperymentach w wygenerowanym wyładowaniu osiągnięto wysoką moc termojądrową utrzymującą się przez 5 sekund, co dało rekord 69 megadżuli przy zużyciu zaledwie 0,2 miligrama paliwa. Te godne uwagi osiągnięcia stanowią znaczący krok w kierunku opanowania sposobów kontrolowania procesów syntezy termojądrowej.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Podczas drugiej eksperymentalnej kampanii deuterowo-trytowej (DTE2) w 2021 roku uzyskano 59 megadżuli w zakresie ilości ciepła termojądrowego wytworzonego w jednym wyładowaniu, co po ogłoszeniu w lutym 2022 roku spotkało się z dużym zainteresowaniem opinii publicznej (więcej na ten temat w tekście: Rekordowe wyniki eksperymentów z syntezą jądrową w tokamaku JET). Kampania DTE3 pobiła ten rekord o 10 megadżuli.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

JET jest centralnym ośrodkiem badawczym europejskiego programu syntezy jądrowej. W jego prace zaangażowani są również Polacy. To badacze z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie. Joint European Torus znajduje się w Culham, niedaleko Oksfordu w Wielkiej Brytanii. Na jego podstawie jest realizowany projekt przyszłego, potężnego tokamaka ITER, który budowany jest we Francji.

JET może działać z mieszanką paliwową deuteru i trytu, dokładnie taką, jaka planowana jest dla przyszłych elektrowni termojądrowych. Kiedy deuter i tryt łączą się ze sobą, powstaje hel oraz ogromne ilości energii. Eksperymenty prowadzone w JET pozwalają naukowcom badać, jak kształtować i kontrolować plazmę wysokotemperaturową.

- Możemy niezawodnie wytwarzać plazmę termojądrową, korzystając z tej samej mieszanki paliwowej, która będzie wykorzystywana w komercyjnych elektrowniach wykorzystujących energię termojądrową, co potwierdza zaawansowaną wiedzę specjalistyczną zdobytą na przestrzeni czasu – powiedziała dr Fernanda Rimini zaangażowana w prace w JET.

- Nasza udana demonstracja scenariuszy operacyjnych przyszłych maszyn termojądrowych, takich jak ITER i DEMO, potwierdzona nowym rekordem energii, budzi większe zaufanie w rozwój energii termojądrowej. Oprócz ustanowienia nowego rekordu, osiągnęliśmy rzeczy, których nigdy wcześniej nie robiliśmy i pogłębiliśmy nasze rozumienie fizyki syntezy jądrowej – zaznaczył profesor Ambrogio Fasoli z EUROfusion.

- Nasza determinacja i międzynarodowa współpraca przyniosły wyjątkowe rezultaty, które stanowią kamień milowy w badaniach nad energią termojądrową. Ten sukces nie tylko potwierdza możliwość kontrolowania plazmy w tokamakach, ale również stanowi kluczowy krok w kierunku realizacji celu, jakim jest produkcja energii na skalę komercyjną z wykorzystaniem reakcji jądrowej. Przed nami jeszcze wiele wyzwań i kolejnych lat badań, ale jestem przekonana, że nasza ciężka praca przyniesie jeszcze więcej innowacyjnych rozwiązań, które będą kształtować światową energetykę – przyznała dr hab. Agata Chomiczewska, prof. IFPiLM i krajowy koordynator badań na tokamaku JET.

Fuzja, proces zasilający gwiazdy takie jak nasze Słońce, zapewnia w dłuższej perspektywie niemal nieograniczone, czyste źródło energii elektrycznej przy użyciu niewielkich ilości paliwa, które można pozyskać na całym świecie. Z jednego kilograma deuteru, który występuje naturalnie w wodzie morskiej, można by zasilić setki tysięcy domostw. Zapewnilibyśmy sobie bezpieczeństwo energetyczne na lata. Do tego proces ten jest przyjazny środowisku, bo nie powstają w nim szkodliwe produkty uboczne, takie jak emisje dwutlenku węgla lub odpady radioaktywne.

Proces fuzji łączy atomy lekkich pierwiastków, takich jak wodór, w wysokich temperaturach, tworząc hel i uwalniając ogromną energię w postaci ciepła. Fuzja jest z natury bezpieczna, ponieważ nie może rozpocząć niekontrolowanego procesu i nie powoduje powstania odpadów o długim procesie rozkładu.

Jest kilka sposobów, na uzyskanie syntezy termojądrowej. Naukowcy obecnie skupiają się na metodzie kontrolowanie reakcji termojądrowej poprzez magnetyczne uwięzienie plazmy. Podejście to polega na wykorzystaniu potężnego pola magnetycznego do utrzymania w ryzach paliwa dla syntezy termojądrowej, czyli plazmy. Metoda ta wymaga ogromnych temperatur. Do przeprowadzenia syntezy potrzeba rozgrzać wodór do temperatur przekraczających 100 milionów stopni Celsjusza. Tylko wtedy lżejsze atomy będą mogły połączyć się w cięższy. Energia wytworzona przez reakcję termojądrową powinna utrzymać temperaturę, a nadmiar ciepła może zostać przetworzony na energię elektryczną.

Tego typu reakcje termojądrowe udało się już przeprowadzić w tokamakach i stellaratorach w kilku ośrodkach badawczych na świecie. Jednak problem polega na tym, by utrzymać je przez dłuższy czas i uzyskać dodatni bilans energetyczny, a to oznacza, że reaktor powinien wyprodukować więcej energii, niż zostanie do niego dostarczone.

Inną metodą jest inercyjne uwięzienie plazmy. W tym podejściu wykorzystywany jest system laserów do podgrzewania paliwa plazmowego. Pelety paliwowe zawierają cięższe wersje wodoru — deuter i tryt, które łatwiej połączyć, a do tego wytwarzają więcej energii. Jednak granulki paliwa muszą być podgrzane do wysokich temperatur oraz poddane ogromnemu ciśnieniu. Potrzeba osiągnąć warunki podobne do tych panujących wewnątrz Słońca, które jest naturalnym reaktorem termojądrowym.

Osiągnięcie reakcje fuzji w takich warunkach uwolniłoby kilka cząstek, w tym cząstki alfa, które oddziałują z otaczającą plazmą i dalej ją podgrzewają. Podgrzana plazma uwalnia następnie więcej cząstek alfa i tak dalej. Powstaje tym samym samopodtrzymująca się reakcja, ale do jej inicjacji potrzebny jest zapłon, czyli wyzwolenie reakcji syntezy za pomocą laserów.

Po ponad 40 latach od rozpoczęcia eksperymentów, tokamak JET zakończył działalność naukową pod koniec grudnia 2023 roku. W trakcie swojego istnienia JET dostarczył kluczowych informacji na temat złożonej mechaniki fuzji, umożliwiając naukowcom zaplanowanie międzynarodowego eksperymentu termojądrowego ITER i demonstracyjnej elektrowni termojądrowej DEMO projektowanej obecnie przez europejską społeczność zajmującą się syntezą jądrową.

- Przez cały okres swojej działalności JET był niezwykle pomocny jako prekursor tokamaka ITER: w testowaniu nowych materiałów, w opracowywaniu innowacyjnych komponentów i przede wszystkim w generowaniu danych naukowych otrzymywanych z fuzji deuteru i trytu. Uzyskane wyniki będą miały bezpośredni wpływ na projekt ITER, potwierdzając dalsze działania i umożliwiając nam szybszy postęp w kierunku uzyskania lepszej wydajności – zaznaczył dr Pietro Barabaschi, dyrektor generalny ITER.

Wkład badań przeprowadzonych na tokamaku JET w naukę i inżynierię fuzji jądrowej odegrał kluczową rolę w przyspieszeniu rozwoju energii termojądrowej, która w przyszłości stanie się bezpiecznym, niskoemisyjnym i zrównoważonym źródłem energii.