Przyszłość energetyki. Wśród testujących naukowców są Polacy

Tokamak JET, czyli Joint European Torus, to zaawansowany reaktor termojądrowy o unikalnej konstrukcji w formie torusa. Znajduje się on w Culham Centre for Fusion Energy, które jest położone w hrabstwie Oxfordshire w Wielkiej Brytanii. Głównym zadaniem tego obiektu jest wykorzystywanie pól magnetycznych do utrzymania gorącego, zjonizowanego gazu (plazmy), z dala od wewnętrznych ścian zbiornika. Dzięki temu możliwe jest bezpieczne prowadzenie prac w ekstremalnie wysokiej temperaturze, wynoszącej 150 milionów stopni Celsjusza - dziesięciokrotnie wyższej niż temperatura panująca w jądrze Słońca.

W ramach kampanii eksperymentalnej przeprowadzonej w tokamaku JET zaangażowanych było ponad 300 naukowców. Pochodzili oni z różnych europejskich ośrodków badawczych, które są częścią konsorcjum EUROfusion. W skład zespołu wchodzili również pracownicy inżynieryjni i naukowo-techniczni z United Kingdom Atomic Energy Authority. Wśród uczestników kampanii znalazła się również grupa polskich naukowców z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie.

Obecnie JET jest jedynym urządzeniem na świecie, które umożliwia przeprowadzanie dużej liczby reakcji termojądrowych. Wykorzystywana tam obecnie mieszanka paliwowa deuter-tryt (D-T) ma szansę stać się w przyszłości podstawowym źródłem energii dla elektrowni termojądrowych. Głównym celem zakończonej kampanii eksperymentalnej było rozwijanie technologii i metodologii niezbędnych dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

"Większość urządzeń fuzyjnych wykorzystuje wodór lub sam deuter. Jednak testowanie mieszanki deuteru i trytu pozwala jak najbardziej zbliżyć się do warunków panujących w prawdziwej elektrowni termojądrowej" - wyjaśniono w komunikacie IFPiLM.

"Eksperymenty w JET zoptymalizowały reakcje fuzji deuteru i trytu oraz przyczyniły się do opracowania technik zarządzania zatrzymywaniem paliwa, odprowadzaniem ciepła i ewolucją materiałów. Dzięki temu uzyskano informacje, które są kluczowe dla projektowania i działania przyszłych reaktorów, takich jak międzynarodowy eksperymentalny reaktor badawczy zlokalizowany na południu Francji – ITER, demonstracyjna elektrownia termojądrowa DEMO, a także dla wszystkich innych badań prowadzonych na całym świecie na rzecz rozwoju elektrowni termojądrowych" - relacjonują naukowcy.

Podkreślając znaczenie przeprowadzonej kampanii eksperymentalnej, naukowcy mówią o łączeniu przeszłości i przyszłości w badaniach nad syntezą jądrową. "Kampania oparta na eksperymentach przeprowadzonych pod koniec 2021 roku pogłębiła naszą wiedzę na temat plazmy deuterowo-trytowej. Spostrzeżenia uzyskane w ramach tej kampanii na temat optymalizacji reakcji syntezy jądrowej i opracowania nowatorskich strategii operacyjnych łączą wiedzę z przeszłości z przyszłymi zastosowaniami w technologii fuzji jądrowej" - poinformowano w materiale prasowym.

Podczas kampanii naukowcy przetestowali nowe koncepcje opracowane na mniejszych europejskich tokamakach początkowo z deuterem, a następnie z mieszanką paliwa deuterowo-trytowego. Badania te są ważne dla zrozumienia, w jaki sposób procesy obserwowane na mniejszych urządzeniach będą dostosowane do większych przyszłych projektów syntezy jądrowej. Kampania oznacza postępy w pracy z paliwem trytowym.

"Głównym sukcesem kampanii DTE3 była zdolność do odtworzenia eksperymentów związanych z wysoką energią termojądrową z drugiej kampanii eksperymentalnej dotyczącej deuteru i trytu (DTE2) z 2021 roku. Osiągnięcie to wskazuje na niezawodność i gotowość metod operacyjnych JET, które są niezbędne dla przyszłego sukcesu projektu ITER" - czytamy.

Kampania obejmowała testowanie różnych scenariuszy operacyjnych w celu efektywnego zarządzania ciepłem odprowadzanym z gorącego, zjonizowanego paliwa gazowego (plazmy). Naukowcy skupili się na rozproszeniu energii na krawędzi plazmy - przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiego poziomu energii w rdzeniu plazmy, co stanowi równowagę krytyczną dla wykonalności reaktora. Obejmowało to minimalizację lub wyeliminowanie wybuchów energii wynikających z niestabilności krawędzi plazmy oraz wdrożenie innowacyjnych technik zarządzania obciążeniem cieplnym.

Ponadto zespół zademonstrował kontrolę mieszanki paliwowej D-T w czasie rzeczywistym poprzez wtryskiwanie gazu i zamrożonych granulek deuteru, co jest kluczową metodą kontrolowania reakcji termojądrowych. Postępy te mają kluczowe znaczenie dla pomyślnego funkcjonowania przyszłych reaktorów termojądrowych. Pozyskana wiedza ma być niezbędna do projektowania wydajnych i bezpiecznych reaktorów termojądrowych.