Fizycy pracujący nad ulepszeniem stellaratora Wendelstein 7-x zredukowali straty ciepła w reaktorze fuzyjnym, co jest ważnym krokiem na drodze do osiągnięcia fuzji jądrowej. Urządzenie znajdujące się w Greifswaldzie w Niemczech, największy i najbardziej zaawansowany stellarator na świecie, jest teraz w stanie osiągnąć temperatury dwukrotnie wyższe niż wewnątrz Słońca.
Stellaratory, czyli urządzenia, które mają na celu okiełznanie na Ziemi energii syntezy jądrowej, która zasila Słońce i inne gwiazdy, od dawna grają drugie skrzypce w porównaniu z bardziej popularnymi wśród naukowców obiektami znanymi jako tokamaki.
Sama koncepcja stellaratora, jako urządzenia do przeprowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej, znana jest o dawna. Przedstawił ją amerykański astrofizyk Lyman Spitzer w 1950 roku. Pierwsze urządzenie tego typu powstało na Uniwersytecie Princeton kilka lat po opracowaniu koncepcji stallaratora, ale konstrukcja ta szybko została wyparta po tym, jak radzieccy uczeni przedstawili projekt tokamaka w 1968 roku.
Od tamtego czasu to tokamaki były preferowanymi konstrukcjami, w których próbowano przeprowadzić kontrolowaną reakcję termojądrową. Oba urządzenia różnią się budową. W uproszczeniu główną różnicą jest konstrukcja komory, gdzie uzyskiwana jest plazma. W stellaratorach ma ona postać kilkukrotnie skręconej wstęgi Möbiusa, podczas gdy w tokamakach ma ona kształt torusa.
Zaletą pierwszej konstrukcji jest to, że plazma stabilizuje się sama, bez konieczności przepuszczania przez nią prądu. Wiąże się to właśnie z konstrukcją komory, która otoczona jest cewkami magnesów. Jednak sama budowa komory jest niezwykle skomplikowana. Cewki magnesów muszą mieć odpowiednie kształty dopasowane do komory, gdzie uzyskiwana jest plazma. Do tego dużym problemem była utrata ciepła. To wszystko wpłynęło na większą popularność tokamaków.
Teraz naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka (IPP), we współpracy z innymi naukowcami, w tym z Laboratorium Fizyki Plazmy Princeton (PPPL) oraz Departamentu Energii USA (DOE), wykazali, że Wendelstein 7-X (W7-X) jest w stanie osiągnąć temperatury dwukrotnie wyższe niż wewnątrz Słońca. Wyniki nowych analiz ukazały się na łamach pisma „Nature” (DOI: s41586-021-03687-w).
Energia termojądrowa jest przedmiotem badań na całym świecie. Proces ten napędza gwiazdy. W dużym uproszczeniu, polega na złączeniu się dwóch jąder lżejszych atomów (deuter, tryt) w jedno cięższe. Wyzwala się przy tym ogromna ilość energii. Jednak do sprawnego działania potrzeb bardzo wysokich temperatur. Ale jest o co walczyć. Gdybyśmy mogli okiełznać energię syntezy termojądrowej, korzyści byłyby ogromne – czysta, wysokowydajna energia, która jest praktycznie niewyczerpalna.
Ale łatwiej to powiedzieć niż zrobić. Energia syntezy jądrowej jest badana od lat 40. ubiegłego wieku. Po dziesiątkach lat wysiłków reaktory termojądrowe nadal nie uzyskały dodatniego bilansu energetycznego. Reakcje termojądrowe udało się już przeprowadzić w tokamakach i stellaratorach w kilku ośrodkach badawczych na całym 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.
Do przeprowadzenia syntezy termojądrowej potrzeba rozgrzać wodór do temperatury około 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.
Gdyby udało się okiełznać fuzję jądrową, otrzymalibyśmy źródło taniej, czystej, bezpiecznej i nieograniczonej energii. Z jednego kilograma deuteru, który występuje naturalnie w wodzie morskiej, a tej jest pod dostatkiem, 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.
Stellaratory są dość trudne do zaprojektowania i zbudowania. Ich konstrukcja sprawia, że przepuszczają znaczną część energii wytworzonej w wyniku syntezy jądrowej w postaci ciepła. Ta utrata temperatury jest wynikiem procesu zwanego transportem neoklasycznym, w którym zderzające się jony w reaktorze termojądrowym powodują dyfuzję plazmy na zewnątrz, wybijają rozgrzane cząstki z ich orbit, gdy wirują wokół linii pola magnetycznego, które je ograniczają. Ten proces jest znacznie większy w stellaratorach niż w tokamakach.
Naukowcy starali się ukształtować magnesy w W7-X tak, aby spróbować zredukować skutki transportu neoklasycznego. Wszystko wskazuje na to, że im się udało. Dzięki urządzeniu diagnostycznemu skonstruowanym przez Novimira Pablanta z PPPL oraz Andreasa Langenberga z IPP o nazwie XICS widać, że utrata temperatury została znacznie ograniczona. Modelowanie wykonane za pomocą XICS wykazało też bardzo wysokie temperatury wewnątrz reaktora fuzyjnego, rzędu 30 mln st. Celsjusza.
- To naprawdę ekscytująca wiadomość dla fuzji jądrowej, że ten projekt odniósł sukces. To wyraźnie pokazuje, że tego rodzaju optymalizację można przeprowadzić – powiedział Pablant.
Jak przyznali badacze, w niezoptymalizowanym stellaratorze duży transport neoklasyczny uniemożliwił osiągnięcie wysokich temperatur. - Zoptymalizowany W7-X zmniejszył transport neoklasyczny i był niezbędny dla wydajności obserwowanej w eksperymentach – podkreślił Pablant. Dodał, że ich wyniki oznaczają duży krok w kierunku umożliwienia stellaratorom opartym na architekturze W7-X stworzenia praktycznego reaktora termojądrowego.
- Ale ograniczenie transportu neoklasycznego nie jest jedyną rzeczą, którą trzeba zrobić. Jest cała masa zagadnień, w tym problemy z pracą ciągłą czy zmniejszenie transportu turbulentnego – zaznaczył Pablant. Transport turbulentny wytwarza zmarszczki i wiry, które przechodzą przez plazmę i jest drugim, po transporcie neoklasycznym, głównym źródłem strat ciepła.
Źródło: Princeton Plasma Physics Laboratory, fot. Bernhard Ludewig/Max Planck Institute of Plasma Physics. Na zdjęciu wnętrze stellaratora Wendelstein 7-X
