Naukowcy zrzeszeni w konsorcjum EUROfusion, w tym badacze z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie, uzyskali rekordowe 59 megadżuli energii z syntezy jądrowej w tokamaku Joint European Torus (JET) w Wielkiej Brytanii. Badania te są istotnym krokiem w kierunku opanowania fuzji jądrowej jako bezpiecznego, taniego i przyjaznego dla środowiska źródła energii.
Fuzja jądrowa to proces, który zasila gwiazdy, takie jak nasze Słońce. Opanowanie sposobów kontrolowania tego procesu obiecuje na dłuższą metę niemal nieograniczone źródło czystej energii elektrycznej z wykorzystaniem niewielkiej ilości paliwa. Proces fuzji łączy w wysokich temperaturach atomy lekkich pierwiastków, takich jak deuter i tryt, w cięższe pierwiastki, jak hel. Powstają przy tym ogromne ilości energii w postaci ciepła.
Synteza jądrowa
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, 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.
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.
W tokamaku paliwo termojądrowe jest podgrzewane, aż atomy zostaną zjonizowane – dzielą się na jony o ładunku dodatnim i elektrony naładowane ujemne. Elektrony i jony tworzą następnie plazmę, zupę naładowanych cząstek, która jest utrzymywana w ryzach przez pola magnetyczne. Po wytworzeniu plazmy naukowcy optymalizują wydajność fuzji. Najnowocześniejsze urządzenia pomiarowe i zaawansowane komputerowe modele predykcyjne połączone z systemami sterowania mogą regulować ciśnienie, temperaturę jonów i elektronów, stabilizując prądy elektryczne i inne procesy w tym środowisku.
Idealnym paliwem do syntezy jądrowej jest mieszanka deuteru i trytu – cięższych izotopów wodoru z odpowiednio jednym i dwoma dodatkowymi neutronami w jądrze. Ze wszystkich możliwych paliw fuzyjnych ta kombinacja stapia się zdecydowanie najłatwiej i w najniższej temperaturze. Przewiduje się, że tylko fuzja z takim paliwem wyzwoli wystarczającą ilość dodatkowej energii w realnie osiągalnych warunkach, aby wytworzyć jej nadwyżkę nie tylko w postaci ciepła, ale także energii elektrycznej netto.
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.
Tokamak JET
JET jest centralnym ośrodkiem badawczym europejskiego programu syntezy jądrowej. Joint European Torus znajduje się w Culham, niedaleko Oksfordu w Wielkiej Brytanii. Na jego podstawie jest realizowany projekt przyszłego, potężnego tokamaka ITER. JET jest wspólnie używany przez ponad 30 europejskich laboratoriów, a jego eksperymenty są projektowane i obsługiwane przez ponad 350 naukowców i inżynierów.
Unikalną cechą JET jest to, że jest to jedyny tokamak na świecie, który może działać z mieszanką paliwową deuteru i trytu, dokładnie taką, jaka planowana jest dla przyszłych elektrowni termojądrowych. Prawie wszystkie inne eksperymenty z syntezą jądrową na świecie wykorzystują wyłącznie plazmę wodorową lub deuterową. Eksperymenty te pozwalają naukowcom badać, jak kształtować i kontrolować plazmę wysokotemperaturową bez prędkich neutronów wytwarzanych w reakcji deuter-tryt.
Deuter i tryt łączą się w olbrzymich temperaturach i uwalniają hel oraz wysokoenergetyczny neutron. Neutron przenosi energię syntezy z plazmy do płaszcza otaczającego komorę reakcyjną, podczas gdy hel podgrzewa otaczające paliwo, aby utrzymać warunki syntezy. Obecność neutronów wymaga dodatkowego ekranowania, co ogranicza dostęp do eksperymentów.
Wykorzystując to samo paliwo do syntezy jądrowej, które ma być używane w przyszłych elektrowniach i będąc wyposażonym w odpowiednie ekranowanie, JET jest obecnie najlepszym obiektem do przeprowadzania eksperymentów z fuzją jądrową. Unikalna zdolność do pracy z mieszanką deuteru i trytu pozwala w JET zbadać, w jaki sposób mieszanka paliwowa przyszłej elektrowni termojądrowej zmienia procesy i równowagę w plazmie termojądrowej w porównaniu z samym paliwem wodorowym lub deuterowym.
Rekordowe osiągnięcia w JET
Kampania eksperymentalna w JET, która miała miejsce w ubiegłym roku, była pierwszym od prawie 25 lat eksperymentem termojądrowym z wysokowydajną mieszanką paliwową deuteru i trytu. Eksperymenty te były dla naukowców EUROfusion kluczową okazją do przetestowania modeli komputerowych, nowej diagnostyki i technik kontroli plazmy opracowanych na potrzeby ITER.
Nowa, przełomowa diagnostyka i zaawansowane modelowanie pozwoliły naukowcom z EUROfusion mierzyć wyniki eksperymentów w odstępach jednej milionowej części sekundy, co daje ogromne ilości danych. Pozwala to naukowcom zrozumieć zachowanie plazmy na poziomie szczegółowości niemożliwym do uzyskania we wcześniejszych eksperymentach.
W 1997 roku JET ustanowił rekord świata w dziedzinie syntezy jądrowej. Plazma wytworzona w tokamaku generowała około 4,5 megawatów mocy z syntezy jądrowej przez 5 sekund, co daje łącznie 22 megadżuli energii całkowitej wytworzone w procesie syntezy jądrowej. JET ustanowił również rekord szczytowej mocy 16 megawatów utrzymywany przez 0,15 sekundy, przy wprowadzonej mocy grzewczej 24 megawatów.
Naukowcy z europejskiego konsorcjum EUROfusion poinformowali o rezultatach niedawno zakończonych eksperymentów w największym na świecie tokamaku. Wykorzystując potencjał JET, badacze uzyskali rekordowe 59 megadżuli energii z syntezy jądrowej.
– Osiągnięcie to jest wynikiem wieloletnich przygotowań zespołu naukowców EUROfusion z całej Europy. Sam rekord, a co ważniejsze, to czego nauczyliśmy się o fuzji w tych warunkach, pokazuje, że obraliśmy właściwą drogę, by ziścił się świat funkcjonujący w oparciu o energię z syntezy jądrowej. Jeśli jesteśmy w stanie kontrolować fuzję przez pięć sekund, możemy to robić przez pięć minut, a następnie przez pięć dni, w miarę zwiększania skali funkcjonowania urządzeń w przyszłości – powiedział Tony Donné, manager programu EUROfusion.
– Przedstawione osiągnięcie jest ogromnym krokiem w kierunku opanowania energii z reakcji syntezy jądrowej. Jest to zwieńczenie wielkiej pracy i wysiłku naukowców z Europy, w tym z Polski i Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy. Bardzo się cieszę, że jesteśmy częścią tego sukcesu i bierzemy udział w tak znaczących badaniach. Energia termojądrowa jest przyszłością, a jak wiadomo świat potrzebuje czystej, niskoemisyjnej i nieograniczonej energii – przyznała Monika Kubkowska z IFPiLM, członek Rady Zarządzającej konsorcjum EUROfusion.
Pięć sekund
Rekordowe reakcje syntezy jądrowej w tokamaku JET uwolniły łącznie 59 megadżuli energii w postaci ciepła podczas pięciosekundowego wyładowania plazmy. W przeliczeniu na moc JET utrzymał moc wyjściową nieco ponad 11 megawatów ciepła w ciągu pięciu sekund. Ale czas ten był ograniczony przez magnesy zamontowane w JET i ich system chłodzenia, które mogą wytrzymać tak duże obciążenie cieplne tylko przez 5 sekund. Następca JET, ITER, będzie wyposażony w chłodzone kriogenicznie magnesy nadprzewodzące, które nie nagrzewają się w ten sposób i będą w stanie utrzymać wymagane pole magnetyczne w nieskończoność.
– To wielka chwila zarówno dla każdego z nas, jak i całej fuzyjnej społeczności. Co najważniejsze, doświadczenie, jakie zdobyliśmy w warunkach praktycznych, daje nam pewność co do kolejnego etapu eksperymentów w urządzeniu ITER i europejskiej elektrowni demonstracyjnej EU DEMO, która ma na celu wprowadzenie energii elektrycznej do sieci – dodał Donné.
Jak wskazują eksperci, te przełomowe w skali ćwierćwiecza wyniki najdobitniej świadczą o potencjale reakcji syntezy jądrowej w dostarczaniu bezpiecznej, taniej i zrównoważonej energii niskoemisyjnej. Rezultaty te wpłyną też na optymalne przygotowanie do rozpoczęcia pracy wspomnianego już wcześniej międzynarodowego projektu ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny), który obecnie budowany jest we Francji i który będzie największym tokamakiem na świecie.
Poligon testowy dla ITER
Rekordowe wyniki oraz dane naukowe uzyskane w JET są ważnym impulsem dla tokamaka ITER, większej i bardziej zaawansowanej wersji urządzenia JET. ITER to reaktor eksperymentalny zlokalizowany na południu Francji, będący elementem projektu badawczego poświęconego badaniom nad syntezą jądrową. Powstał we współpracy pomiędzy Chinami, Unią Europejską, Indiami, Japonią, Koreą Południową, Rosją i Stanami Zjednoczonymi. Ma na celu zademonstrowanie naukowych i technologicznych możliwości energii termojądrowej.
– Jako EUROfusion zaprojektowaliśmy tę kampanię eksperymentalną na JET, aby optymalnie przygotować się do rozpoczęcia funkcjonowania tokamaka ITER, poprzez zbadanie zastosowanych tam procesów energetycznych. Eksperymenty potwierdziły nasze przewidywania, motywując nas do robienia wszystkiego, co w naszej mocy, aby zapewnić szybki sukces operacji ITER. Wyniki potwierdzają słuszność wczesnej decyzji o budowie europejskiej elektrowni DEMO, zważywszy na to, iż potrzebujemy fuzji do długoterminowej dekarbonizacji naszych dostaw energii – wyjaśnił Volker Naulin, dyrektor Fusion Science Department w EUROfusion.
ITER jest jedną z najdroższych inwestycji naukowych na świecie. W projekt zaangażowanych jest 35 krajów, w tym Polska. Główną zasadą jego działania jest odwzorowanie procesów, które zachodzą na Słońcu i produkują energię w potężnych ilościach. Paliwem wejściowym do tokamaka ITER będzie deuter i tryt, z których w reakcji termojądrowej powstaną cięższe pierwiastki, tj. hel – oraz ogromne ilości energii cieplnej, którą będzie można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej.
– Stabilne wyładowanie deuteru z trytem na tym poziomie energetycznym, prawie na skalę przemysłową, potwierdza sens działania wszystkich naukowców zaangażowanych w fuzję na całym świecie. W przypadku projektu ITER, wyniki uzyskane w JET pozwalają nam zakładać, że jesteśmy na dobrej drodze do zademonstrowania mocy syntezy jądrowej – powiedział Bernard Bigot, dyrektor ITER.
W dobie narastającej presji na przeciwdziałanie skutkom zmian klimatycznych i redukcję wytwarzania CO2, sukces osiągnięty w tokamaku JET jest ważnym krokiem do uzyskania oręża w walce z globalnym kryzysem energetycznym. Synteza jądrowa jest bowiem bezpiecznym, wydajnym i niskoemisyjnym źródłem energii.
Pierwszy zapłon plazmy w tokamaku ITER zaplanowano na 2025 r.
Fot. UKAEA