Polacy kombinowali z fuzją jądrową. Ich pomysł trafi do elektrowni

Naukowcy zrzeszeni w konsorcjum EUROfusion ogłosili wyniki ostatniej już kampanii eksperymentalnej z użyciem deuteru i trytu, przeprowadzonej na największym na świecie tokamaku JET (Joint European Torus), który znajduje się w Wielkiej Brytanii.

W eksperymentach ponad 300 naukowców podglądało procesy syntezy jądrowej w JET. Uczeni sprawdzili też techniki kontroli w warunkach podobnych do tych, jakie będą panowały w przyszłych elektrowniach termojądrowych. Wśród zaangażowanych w prace badaczy znaleźli się też naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) w Warszawie.

Fuzja jądrowa to proces, który zasila gwiazdy, takie jak nasze Słońce. Opanowanie sposobów jego kontrolowania niesie obietnice uzyskania niemal nieograniczonego źródła czystej energii z wykorzystaniem niewielkiej ilości paliwa. Proces fuzji łączy w wysokich temperaturach atomy lekkich pierwiastków, takich jak deuter i tryt, w cięższe pierwiastki, jak hel. Powstają przy tym ogromne ilości energii w postaci ciepła.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Ludzkość od wieków marzyła o ujarzmieniu potęgi Słońca. Gdyby to się udało, otrzymalibyśmy źródło taniej, czystej, bezpiecznej i nieograniczonej energii. 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.

Do przeprowadzenia syntezy termojądrowej potrzeba rozgrzać wodór do temperatur przekraczających 100 milionów stopni Celsjusza. Tylko wtedy lżejsze atomy będą mogły połączyć się w cięższy. A do utrzymywania plazmy w ryzach potrzeba potężnego i stabilnego pola magnetycznego. Energia wytworzona przez reakcję termojądrową powinna utrzymać temperaturę, a nadmiar ciepła może zostać przetworzony na energię elektryczną.

Kampania eksperymentalna została przeprowadzona w tokamaku JET. Jest on obecnie jedynym urządzeniem tego typu, które może działać z mieszanką paliwową deuteru i trytu. To cięższe izotopy wodoru z odpowiednio jednym i dwoma dodatkowymi neutronami w jądrze. Dokładnie taka mieszanka planowana jest dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

Mieszanka ta jest idealnym paliwem do syntezy jądrowej. Ze wszystkich możliwych paliw fuzyjnych ta kombinacja stapia się zdecydowanie najłatwiej i w najniższej temperaturze. Przewiduje się, że tylko fuzja z takim paliwem wyzwoli wystarczającą ilość dodatkowej energii w realnie osiągalnych warunkach, aby wytworzyć jej nadwyżkę nie tylko w postaci ciepła, ale także energii elektrycznej netto.

JET jest centralnym ośrodkiem badawczym europejskiego programu syntezy jądrowej. Joint European Torus znajduje się w Culham, niedaleko Oksfordu w Wielkiej Brytanii. Na jego podstawie jest realizowany projekt potężnego tokamaka budowanego na południu Francji ITER. JET jest wspólnie używany przez ponad 30 europejskich laboratoriów, a jego eksperymenty są projektowane i obsługiwane przez ponad 350 naukowców i inżynierów.

Tokamak JET rozpoczął pracę w 1983 roku. Od tamtego czasu wielokrotnie go udoskonalano, aby poprawić jego wydajność. JET ustanowił liczne rekordy w badaniach nad fuzją jądrową. W 2021 roku w JET uzyskano rekordowe 59 megadżuli energii z syntezy jądrowej

W ramach kampanii DTE3 naukowcy zoptymalizowali reakcje fuzji deuteru i trytu. Opracowali również techniki kontroli paliwa czy zatrzymywania ciepła. Uzyskane w eksperymentach informacje są kluczowe dla projektowania i działania przyszłych reaktorów, takich jak międzynarodowy eksperymentalny reaktor badawczy ITER. Jak podkreślono w komunikacie IFPiLM, kampania DTE3 stanowi znaczący krok naprzód w rozwoju technologii i metodologii niezbędnych dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

W eksperymentach prowadzonych w ramach DTE3 naukowcy znacząco pogłębili wiedzę na temat plazmy deuterowo-trytowej. Spostrzeżenia na temat optymalizacji reakcji syntezy jądrowej i opracowania nowatorskich strategii operacyjnych łączą wiedzę z przeszłości z przyszłymi zastosowaniami w technologii fuzji jądrowej.

Naukowcy przetestowali także koncepcje opracowane na innych, mniejszych tokamakach dotyczące deuteru oraz mieszanki paliwa deuterowo-trytowego. Dzięki temu naukowcy mają lepsze pojęcie o tym, w jaki sposób procesy obserwowane na mniejszych urządzeniach mogą zostać dostosowane do większych tokamaków.

Ale to nie wszystko.

"Naukowcy z JET poczynili znaczące postępy, stosując tryt jako składnik paliwa poprzez wprowadzenie nowatorskich technologii monitorowania i czyszczenia, w tym laserowych metod diagnostycznych takich jak LID-QMS (desorpcja indukowana laserem – kwadrupolowa spektrometria mas)" - czytamy w komunikacie.

Ustalenia te znajdą zastosowanie podczas funkcjonowania tokamaka ITER. Zapewnią też monitoring zużycia trytu i zwiększą bezpieczeństwo funkcjonowania urządzenia.

"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 dalej.

W ramach kampanii przetestowano również różne scenariusze efektywnego zarządzania ciepłem odprowadzanym z 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" - wyjaśniają naukowcy z IFPiLM.

Ponadto uczeni zademonstrowali kontrolę mieszanki paliwowej 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.