Dodano: 10 września 2021r.

Nowy, potężny magnes utoruje drogę do pozyskiwania energii z syntezy jądrowej?

Fuzja jądrowa oferuje kuszącą perspektywę zrównoważonego i niewyczerpalnego źródła energii. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) ogłosili, że dzięki nowemu rodzajowi magnesu udało się wytworzyć pole magnetyczne o natężeniu około 500 tys. razy większym od pola magnetycznego Ziemi. Jak twierdzą uczeni, ta technologia powinna umożliwić im zbudowanie stosunkowo niewielkiej prototypowej elektrowni termojądrowej do 2025 roku — chociaż przyznają, że nadal muszą pokonać wiele innych wyzwań technologicznych.

Nowy, potężny magnes utoruje drogę do pozyskiwania energii z syntezy jądrowej?

 

5 września uruchomiono po raz pierwszy duży, wysokotemperaturowy elektromagnes nadprzewodzący. Uczeni osiągnęli, zresztą zgodnie z wcześniejszymi przewidywaniami, natężenie pola magnetycznego 20 tesli, co jest około 500 tys. razy większe od natężania ziemskiego pola magnetycznego.

Ta udana demonstracja pomaga rozwiązać największą niepewność w dążeniu do zbudowania pierwszej na świecie elektrowni termojądrowej, która może wytwarzać więcej energii niż zużywa, uważają naukowcy z MIT oraz stowarzyszonej firmy Commonwealth Fusion Systems (CFS). Ten postęp toruje drogę do stworzenia praktycznych, niedrogich, bezemisyjnych elektrowni, które mogą w znacznym stopniu przyczynić się do ograniczenia skutków globalnej zmiany klimatu.

Fuzja jądrowa

- Fuzja na wiele sposobów jest ostatecznym źródłem czystej energii. Ilość dostępnej mocy naprawdę zmienia zasady gry – mówi Maria Zuber z MIT. Paliwo używane do wytwarzania energii termojądrowej pochodzi z wody, a „Ziemia jest pełna wody – to prawie nieograniczone zasoby. Musimy tylko wymyślić, jak je wykorzystać – dodaje.

Fuzja jądrowa to reakcja napędzająca gwiazdy, w tym nasze Słońce. 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, 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.

Reakcja termojądrowa, mówiąc 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 reaktora potrzeba bardzo wysokich temperatur. 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.

Reakcje termojądrowe udało się już przeprowadzić 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.

Opracowanie nowego magnesu jest postrzegane jako pokonanie największej przeszkody technologicznej w osiągnięciu tego celu. Jego pomyślne działanie otwiera teraz drzwi do zbudowania pierwszego na świecie urządzenia do syntezy jądrowej, które może wytwarzać więcej energii niż zużywa. Magnes trafi do reaktora SPARC, który ma zostać ukończony w 2025 roku.

- Wyzwania związane z realizacją fuzji są zarówno techniczne, jak i naukowe. Jest to niewyczerpane, wolne od węgla źródło energii, które można wykorzystać w dowolnym miejscu i czasie. To naprawdę całkowicie nowe źródło energii – mówi Dennis Whyte, dyrektor Plasma Science and Fusion Center w MIT, który współpracuje z CFS przy budowie SPARC. Uczony dodaje, że udana demonstracja działania elektromagnesu stanowi ważny kamień milowy, odpowiadając na największe pytania dotyczące wykonalności projektu SPARC. - Wierzę, że to naprawdę przełomowy moment w nauce i technologii syntezy jądrowej – podkreśla Whyte.

Słońce w reaktorze

Fuzja to proces, który zasila słońce i polega na połączenie dwóch lżejszych atomów w jeden cięższy, uwalniając przy tym ogromne ilości energii. Ale proces wymaga ogromnych temperatur znacznie przekraczających te, które może wytrzymać jakikolwiek materiał na Ziemi. Aby przeprowadzić syntezę jądrową, potrzebny jest sposób na uchwycenie i trzymanie w ryzach plazmy rozgrzanej do temperatury rzędu 100 mln stopni Celsjusza lub więcej, tak, by uniemożliwić jej kontakt ze ścianami reaktora.

Odbywa się to za pomocą intensywnych pól magnetycznych, które tworzą rodzaj niewidzialnej tarczy czy kokonu zawierającego gorącą, wirującą zupę protonów i elektronów, zwaną plazmą. Cząstki te są kontrolowane przez pola magnetyczne w urządzeniach w kształcie torusa, zwanych tokamakami. Większość z tych urządzeń wytwarza swoje pola magnetyczne za pomocą konwencjonalnych elektromagnesów wykonanych z miedzi, ale najnowsza i największa wersja tokamaka budowana we Francji, nazwana ITER, ma wykorzystywać tak zwane nadprzewodniki niskotemperaturowe.

Elektromagnesy wytwarzają pole magnetyczne poprzez przepływający przez nie prąd. Ale ten generuje ogromne temperatury, które mogą uszkodzić elektromagnes. Dlatego właśnie w budowanym we Francji reaktorze ITER mają być zastosowane nadprzewodniki, czyli materiały, w których prąd płynie bez żadnego oporu i nie wytwarza nadmiaru ciepła, które trzeba usuwać.

ReBCO

Główną innowacją w projekcie syntezy jądrowej realizowanym przez MIT-CFS jest zastosowanie nadprzewodników wysokotemperaturowych, które umożliwiają uzyskanie znacznie silniejszego pola magnetycznego na mniejszej przestrzeni. Ten projekt był możliwy dzięki nowemu rodzajowi materiału nadprzewodzącego, który stał się komercyjnie dostępny kilka lat temu. Chodzi tu o stop miedzi z dodatkiem metali ziem rzadki zwany ReBCO.

Nadprzewodnictwo pojawia się w specyficznych materiałach w ekstremalnie niskich temperaturach oscylujących koło zera absolutnego. Jak dotąd nie udało się stworzyć nadprzewodnika działającego w temperaturze pokojowej. Ale opracowano tzw. nadprzewodniki wysokotemperaturowe, które działają w wyższych temperaturach – około 77 K, co oznacza, że materiały te, by uzyskać nadprzewodnictwo, można schładzać ciekłym azotem.

Do tej pory jedynym sposobem na uzyskanie potężnych pól magnetycznych potrzebnych do wytworzenia „butelki” magnetycznej zdolnej do przechowywania plazmy rozgrzanej do setek milionów stopni było zwykłe ich powiększanie. Jednak nowy materiał umożliwia uzyskanie większego pola magnetycznego w mniejszym urządzeniu, dorównując wydajności, jaką uzyskałby w maszynie 40 razy większej przy użyciu konwencjonalnych elektromagnesów.

Nowe podejście wykorzystuje dobrze znaną konstrukcję, czyli tokamak, ale skaluje wszystko do około połowy rozmiaru i nadal osiąga te same warunki operacyjne ze względu na wyższe pole magnetyczne.

Seria artykułów naukowych opublikowanych w zeszłym roku nakreśliła podstawy fizyczne i poprzez symulację potwierdziła wykonalność nowego urządzenia termojądrowego. Publikacje wykazały, że jeśli magnesy działają zgodnie z oczekiwaniami, cały system syntezy jądrowej powinien rzeczywiście osiągnąć dodatni bilans energetyczny, czyli uzyskać więcej mocy, niż włożono w jego uruchomienie, po raz pierwszy od dziesięcioleci badań nad syntezą jądrową. Nowe osiągnięcia, przynajmniej teoretycznie, umożliwiają stworzenie zakładu, który byłby opłacalny ekonomicznie.

- To wielka chwila - mówi Bob Mumgaard, dyrektor generalny CFS. - Mamy teraz platformę, która jest zarówno bardzo zaawansowana naukowo, ze względu na dziesięciolecia badań nad tymi maszynami, jak i bardzo interesująca komercyjnie. To, co robi, pozwala nam budować mniejsze urządzenia szybciej i taniej – dodaje.

Pandemia nie pokrzyżowała planów

Urzeczywistnienie nowej koncepcji magnesów wymagało trzech lat intensywnych prac nad projektowaniem, tworzeniem łańcuchów dostaw i opracowaniem metod produkcji. - Zbudowaliśmy jedyny w swoim rodzaju magnes nadprzewodzący. Dużo pracy wymagało stworzenie unikalnych procesów produkcyjnych. W rezultacie jesteśmy teraz dobrze przygotowani do rozwoju projektu SPARC. Zaczęliśmy od modelu fizycznego i projektu w komputerze, a następnie pracowaliśmy nad wieloma prototypami, aby przekształcić projekt na papierze w prawdziwy magnes fizyczny - mówi Joy Dunn z CFS.

W testach z 5 września nowy magnes był stopniowo uruchamiany, aż do osiągnięcia celu, jakim było pole magnetyczne o natężeniu 20 tesli. Magnes składa się z 16 ułożonych razem płytek, z których każda sama w sobie byłaby najpotężniejszym wysokotemperaturowym magnesem nadprzewodzącym na świecie.

- Trzy lata temu ogłosiliśmy plan zbudowania magnesu osiągającego moc 20 tesli, którego będziemy potrzebować w przyszłych elektrowniach termojądrowych. Ten cel został osiągnięty, zgodnie z harmonogramem, i to nawet podczas pandemii - mówi Mumgaard.

Kolejnym krokiem będzie budowa SPARC, mniejszej wersji planowanej elektrowni ARC, która w założeniach ma być pierwszym reaktorem termojądrowym z dodatnim bilansem energetycznym. Pomyślne działanie SPARC pokaże, że komercyjna elektrownia termojądrowa na pełną skalę jest możliwa. Jeśli okaże się, że tak jest w istocie, utoruje to drogę do szybkiego zaprojektowania i zbudowania pionierskiego urządzenia, które będzie mogło działać z pełną prędkością.

- Teraz jestem naprawdę optymistą, że SPARC może osiągnąć dodatni bilans energetyczny w oparciu o zademonstrowaną wydajność magnesów. Następnym krokiem jest zwiększenie skali, aby zbudować rzeczywistą elektrownię. Przed nami wciąż wiele wyzwań, a jednym z nich jest opracowanie projektu, który pozwala na niezawodną i ciągłą pracę. Zdając sobie sprawę, że celem jest komercjalizacja, kolejnym poważnym wyzwaniem będzie kwestia ekonomiczna. Jak zaprojektować te elektrownie, aby ich budowa i wdrażanie było opłacalne? - mówi Zuber.

 

Źródło: Massachusetts Institute of Technology, fot. Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC, 2021