Niemieckim fizykom udało się uzyskać rekordową wydajność plazmy w reaktorze fuzyjnym Wendelstein 7-X w Greifswaldzie. Osiągnięcia naukowców przybliżają nas do nieograniczonego, czystego i taniego źródła energii.
Eksperymenty przeprowadzane od lipca do listopada w stellaratorze Wendelstein 7-X (W7-X), który znajduje się w Instytucie Fizyki Plazmowej im. Maxa Plancka (IPP) w Greifswaldzie, osiągnęły rekordowe wyniki. Stellarator Wendelstein 7-X w ostatnim czasie przeszedł gruntowną przebudowę, zresztą nie pierwszą. Tak jak po poprzednich udoskonaleniach, tak i teraz prace te pozwoliły na zwiększenie osiągów urządzenia i pobicie poprzednich rekordów. A niebawem rozpocznie się kolejna runda aktualizacji W7-X, która ma wyposażyć reaktor w m.in. w większą moc grzewczą.
W poprzedniej rozbudowie zainstalowano nowe urządzenia pomiarowe i systemy grzewcze. Zmodernizowano także naczynie plazmowe, które wyposażono w grafitowe płytki chroniące wnętrze komory. W przyszłości mają one zostać zastąpione płytkami z włókna węglowego. Eksperymenty wznowiono w lipcu tego roku i trwały przez pięć miesięcy.
Po modernizacji fizykom udało się uzyskać wysoką gęstość plazmy do 2 x 1020 cząstek na metr sześcienny - wartości wystarczające dla przyszłej elektrowni. Temperatura plazmy osiągnęła 20 milionów stopni Celsjusza. Poprzez silne nagrzewanie mikrofalowe energia plazmy przekroczyła po raz pierwszy 1 megadżul, bez zbytniego nagrzania ściany komory. Plazmę udało się utrzymać przez ponad 100 sekund – to jedne z najlepszych wyników na świecie.
- Gratulacje dla zespołu Wendelstein 7-X, który ustanowił nowy rekord świata. Podejście jest właściwe. Badacze dokonali ważnych nowych ustaleń dotyczących przyszłego wykorzystania elektrowni termojądrowych. Oprócz odnawialnych źródeł energii, energia termojądrowa może być źródłem energii przyszłości. Naukowcy z Greifswaldu wykonali ważny krok w tym kierunku – powiedziała Anja Karliczek, niemiecka minister edukacji i badań naukowych.
Jeśli chodzi o rekord temperatury uzyskany w reaktorze fuzyjnym, to został on ostatnio osiągnięty w Chinach. W tokamaku EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) badacze uzyskali aż 100 milionów st. C. Osiągnięcie to ma kluczowe znaczenie w badaniach nad fuzją jądrową. Plazmę utrzymali jedynie przez 10 sekund (więcej na ten temat w tekście: Chiny: uzyskano temperaturę plazmy siedem razy wyższą niż we wnętrzu Słońca).
Temperatura uzyskana przez chińskich fizyków jest siedem razy większa od temperatury panującej wewnątrz naszego Słońca. Wewnątrz naszej gwiazdy jądra wodoru łączą się ze sobą w temperaturze 15 milionów st. C. Jednak tam pomaga im dodatkowo olbrzymie ciśnienie. Na Ziemi w tym celu trzeba wytworzyć znacznie wyższą temperaturę.
Fuzja jądrowa to proces, który napędza gwiazdy. Gdy jądra małych atomów łączą się w większe, uwalniają się olbrzymie ilości energii. Jądra te, zazwyczaj ciężsi kuzyni wodoru, czyli deuter i tryt, są naładowane dodatnio i dlatego są odpychane od siebie. Odpychanie to można pokonać w temperaturze stu milionów stopni. Dopiero wtedy zostanie spełniony warunek niezbędny, do zainicjowania syntezy jądrowej.
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.
Tak gorąca plazma nie może stykać się ze ścianami komory reaktora, bo te zwyczajnie by wyparowały. Trzymana jest przez pola magnetyczne i unosi się prawie bezdotykowo we wnętrzu komory próżniowej. Ta magnetyczna klatka Wendelsteina 7-X jest wytwarzana przez pierścień 50 nadprzewodnikowych cewek magnetycznych o wysokości około 3,5 metra.
Stellarator Wendelstein 7-X pochłonął około 370 milionów euro. Pierwszy raz uruchomiony został w 2015 roku i od tamtej pory jest największym urządzeniem tego typu na świecie. Pracuje przy nim międzynarodowy zespół naukowców z wielu instytutów badawczych, w tym także z Polski. W projekcie uczestniczy Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Politechnika Warszawska, Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, Uniwersytet Opolski i Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Świerku. Polska przeznaczyła na ten cel około 6,5 milionów euro. Wendelstein 7-X nie jest przeznaczony do wytwarzania energii. Urządzenie ma udowodnić, że stellaratory są odpowiednie do stosowania w przyszłych elektrowniach.
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. Obecnie większość eksperymentów dotyczących fuzji jądrowej prowadzi się właśnie na tokamakach.
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.
Źródło: Max Planck Institute for Plasma Physics, fot. Jan Michael Hosan/ IPP. Na zdjęciu wnętrze reaktora Wendelstein 7-X.
