Dzięki pracy dwóch zespołów badawczych jesteśmy coraz bliżej osiągnięcia marzenia o kontrolowanej fuzji jądrowej. Naukowcy z USA i Korei Południowej opracowali procedurę eliminacji jednego z głównych problemów w osiągnięciu celu, czyli niestabilności, która występuje plazmie. Drugiemu z zespołów udało się wytworzyć rekordowo silne pole magnetyczne w kontrolowanych warunkach.
Fuzja jądrowa może być kluczem do uzyskania czystej, nieograniczonej i taniej energii. To reakcja napędzająca nasze Słońce. Gdyby udało się odtworzyć ten proces, można by taką energią zasilić miliony gospodarstw domowych. Ludzkość zapewniłaby 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.
Jednym z głównych problemów w osiągnięciu fuzji jądrowej na Ziemi jest zmniejszenie lub całkowite wyeliminowanie niestabilności, która występuje w plazmie brzegowej (tzw. tryby brzegowe - edge localized modes, ELM). Słońce wyzwala ogromne impulsy energii w postaci rozbłysków słonecznych. Podobne rozbłyski ELM mogą potencjalnie uszkodzić ściany reaktora.
By kontrolować takie eksplozje, naukowcy zakłócają plazmę małymi falami magnetycznymi nazywanymi rezonansowymi perturbacjami magnetycznymi (resonant magnetic perturbations – RMP), które zniekształcają gładki kształt plazmy - uwalniając nadciśnienie, które z kolei zmniejsza lub zapobiega pojawianiu się ELM.
Najtrudniejszą częścią jest wytwarzanie odpowiedniej ilości tego zniekształcenia w celu wyeliminowania ELM bez wywoływania innych niestabilności i uwalniania zbyt dużej ilości energii. Trudność polega na tym, że na plazmę można zastosować praktycznie nieograniczoną liczbę zniekształceń magnetycznych, co powoduje, że precyzyjne wykrycie właściwego zniekształcenia jest niezwykłym wyzwaniem. Przynajmniej było do tej pory.
Jong-Kyu Park z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) we współpracy z innymi fizykami z USA i Korei Południowej, opracował cały zestaw korzystnych zniekształceń do kontrolowania ELM bez tworzenia większej liczby problemów. Zestaw został pomyślnie przetestowany w tokamaku KSTAR w Korei Południowej.
Wyniki badań zespołu fizyków zostały opublikowane na łamach „Nature Physics”.
KSTAR był idealny do przetestowania przewidywań ze względu na zaawansowane sterowanie magnetyczne do generowania precyzyjnych zniekształceń. Identyfikacja najkorzystniejszych zniekształceń, które wynoszą mniej niż jeden procent wszystkich możliwych zniekształceń, jakie można uzyskać w KSTAR, byłaby praktycznie niemożliwa bez modelu opracowanego zespół amerykańskich i koreańskich fizyków.
- Przez długi czas myśleliśmy, że zidentyfikowanie wszystkich korzystnych pól jest zbyt trudne do obliczenia. Ale nasza praca demonstruje prostą procedurę identyfikacji zestawu wszystkich takich konfiguracji – powiedział Park
Naukowcy zmniejszyli złożoność obliczeń, gdy zdali sobie sprawę, że liczba sposobów, w jakie plazma może ulec zniekształceniu, jest w rzeczywistości o wiele mniejsza niż zakres możliwych pól 3D, które można zastosować do plazmy. Eksperymenty w KSTAR potwierdziły przewidywania z niezwykłą dokładnością.
Kontrolowanie optymalnych pól będzie miało kluczowe znaczenie dla budowanego we Francji ogromnego tokamaka ITER (International Thermonuclear Experimental Reaktor). Badacze podkreślają, że w tym tokamaku będzie można wyprodukować 10 razy więcej energii, niż jest potrzebne do ogrzania plazmy.
Ale to nie jedyne duże odkrycie związane z fuzją jądrową w ostatnich dniach. Naukowcom z University of Tokio udało się wytworzyć rekordowo silne pole magnetyczne. Badacze poinformowali na łamach „Review of Scientific Instruments”, że uzyskali w kontrolowanych warunkach w pomieszczeniu pole magnetyczne o wartości 1200 Tesli.
Dla porównania, potężne maszyny do rezonansu magnetycznego używane do badań medycznych są kilkaset razy słabsze. Magnes na lodówkę jest ćwierć miliona razy słabszy, a pole magnetyczne Ziemi około 50 milionów razy słabsze.
Trzeba jednak zaznaczyć, że nie jest to najsilniejsze pole magnetyczne stworzone przez człowieka. Najsilniejsze pola magnetyczne uzyskiwano przez kompresję z użyciem chemicznych materiałów wybuchowych. Jednak ten sposób da się zastosować jedynie na otwartej przestrzeni i przebiega w sposób niekontrolowany.
Badacze z Tokio uzyskali silne pole magnetyczne w kontrolowanych warunkach, co pozwala na wykorzystanie tego sposobu w dalszych badaniach m.in. nad procesem syntezy jądrowej.
Sam proces syntezy jądrowej w dużym uproszczeniu polega na łączeniu lżejszych jąder atomów w cięższe. Wewnątrz atomów znajdują się potężne pokłady energii, które zostają uwolnione podczas takiej reakcji. Jednak wymaga to bardzo wysokich temperatur. Do przeprowadzenia syntezy termojądrowej potrzeba rozgrzać wodór do temperatury 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.
Źródło: Princeton Plasma Physics Laboratory, University of Tokio, fot. Jong-Kyu Park, Princeton Plasma Physics Laboratory
