Fizycy z Korei Południowej ustanowili nowy rekord, utrzymując plazmę o temperaturze jonów przekraczającej ponad 100 milinów stopni Celsjusza przez 20 sekund. Udało się tego dokonać w tokamaku KSTAR. Prace koreańskich uczonych przybliżają nas do ujarzmienia procesu fuzji jądrowej, który może być bezpiecznym i realnym źródłem energii na Ziemi.
Fuzja jądrowa może być kluczem do uzyskania czystej, nieograniczonej i taniej energii. Ta reakcja napędzająca nasze Słońce. Gdyby udało się odtworzyć ten proces na Ziemi, 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.
W dużym uproszczeniu fuzja jądrowa polega na łączeniu lżejszych jąder atomów (deuter, tryt) w cięższe. Wewnątrz atomów znajdują się potężne pokłady energii, które zostają uwolnione podczas takiej reakcji. Jednak wymaga ona bardzo wysokich temperatur.
Do przeprowadzenia syntezy termojądrowej potrzebne są temperatury sięgające 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.
Jednak zadanie to nie jest proste. Od lat głowią się nad nim najzdolniejsi fizycy. Jednym z największych wyzwań dotyczącym fuzji jądrowej jest wytworzenie takiej reakcji syntezy, by produkowała więcej energii, niż jej konsumowała.
Centrum Badawcze KSTAR w Koreańskim Instytucie Energii Termojądrowej ogłosiło, że we wspólnych badaniach z udziałem naukowców z Uniwersytetu Narodowego w Seulu (SNU) i Uniwersytetu Columbia w Stanach Zjednoczonych udało się utrzymać plazmę przez 20 sekund przy temperaturze jonów sięgającej ponad 100 milionów stopni Celsjusza. Do tej pory rekordowy czas utrzymania tak gorącej plazmy wynosił 8 sekund.
Tokamak KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research), nazywany też „sztucznym Słońcem”, wykorzystuje silne pola magnetyczne do generowania i stabilizowania ultra-gorącej plazmy. Ostatecznym celem jest urzeczywistnienie energii syntezy jądrowej - potencjalnie nieograniczonego źródła czystej energii. Kluczem do rekordowego czasu utrzymania plazmy o temperaturze przekraczającej 100 mln st. C. było poprawienie metod kontrolowania i stabilizacji reakcji syntezy jądrowej.
Fizycy z Korei Południowej korzystając z tokamaka KSTAR po raz pierwszy przekroczyli granicę 100 milionów stopni w 2018 roku, a w 2019 roku zdołał utrzymać taką temperaturę przez 8 sekund.
Obecnie zespoły pracujące przy różnych reaktorach fuzyjnych na całym świecie starają się utrzymać plazmę jak najdłużej, co umożliwi w przyszłości produkcję taniej energii. W 2016 roku w tokamaku KSTAR udało się utrzymać plazmę przez 70 sekund, jednak miała ona temperaturę około 50 mln st. C. Jeszcze dłużej, bo 102 sekundy, plazmę utrzymywali fizycy z Chin i USA. Dokonali tego w tokamaku EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak). Plazma miała również temperaturę oscylującą w okolicach 50 mln st. C.
Inne zespoły naukowe osiągały już temperatury plazmy sięgające 100 mln st. C. Na krótko radziły sobie też z utrzymaniem plazmy w tej temperaturze, jednak żaden z nich nie przełamał bariery 10 sekund.
- Technologie wymagane do długotrwałego utrzymania plazmy w temperaturze 100 milionów stopni Celsjusza są kluczowe do produkcji energii z reakcji termojądrowych. Sukces, jakim jest utrzymanie w tokamaku KSTAR plazmy w wysokich temperaturach przez 20 sekund, jest ważnym punktem zwrotnym w wyścigu o zapewnienie technologii dla komercyjnych reaktorów termojądrowych w przyszłości – powiedział Si-Woo Yoon z Centrum Badawczego KSTAR
Przed nami jeszcze długa droga zanim uda się zrealizować marzenia o niewyczerpanej i taniej energii. Jak dotąd, utrzymywanie dostatecznie wysokich temperatur przez wystarczająco długi czas, aby technologia była opłacalna, okazało się dużym wyzwaniem. Naukowcy będą musieli pobić więcej takich rekordów, aby fuzja jądrowa mogła stać się realnym źródłem energii.
Wyniki eksperymentu nie zostały jeszcze poddane recenzji. Mają zostać udostępnione na IAEA Fusion Energy Conference w 2021 roku.
Źródło i fot.: National Research Council of Science & Technology/phys.org
