Stellarator, czyli sztuczne Słońce. Ludzkość o krok od ujarzmienia fuzji

Rzadko, a nawet niezmiernie rzadko się zdarza, by aż sześć artykułów naukowych dotyczących jednego i tego samego zagadnienia pojawiło się w tym samym czasopiśmie naukowym, w tym samym jego numerze, w dodatku podpisane przez te samą grupę badawczą, aż trzeba właściwie specjalny numer owego czasopisma rzeczy samej poświęcić. Tak się stało właśnie – o czym z dumą poinformowało wydawnictwo Cambridge University Press – w wydawanym przez nie czasopiśmie „Journal of Plasma Physics” za sprawą międzynarodowej grupy uczonych afiliowanych przy Type One Energy Group.

Gdyby udało się bezpiecznie (z wielkim naciskiem na to słowo) mieć na ziemi tysiące niby-słońc, tak kryzys energetyczny jak klimatyczny mogłyby spokojnie odejść do przeszłości, o której nasze dzieci będą się uczyć na lekcjach historii w szkołach. W tym celu, jak donosi Cambridge University Press, wspomniana grupa specjalistów zorganizowanych w Type One Energy opublikowała „kompleksową, spójną i solidną podstawę fizyczną dla praktycznej pilotażowej elektrowni fuzyjnej”. Rzecz opisano w artykułach, które stanowią realną podstawę pierwszego projektu elektrowni opartej o fuzję jąder lekkich, która jest rozwijana we współpracy z Tennessee Valley Authority w USA.

Oczywiście nie chodzi o takie podstawy teoretyczne, jakie znamy z podręczników fizyki, że fuzja jądrowa to proces w którym dwa atomy wodoru łączą się ze sobą, tworząc atom helu, a część masy wodoru zamienia się w energię. Wg wzoru Einsteina e=mc2, który znamy na pamięć. Inną jest rzeczą, jak głęboko go rozumiemy, jednak bez wątpienia tu on się nam właśnie przydaje.

Zasada działania

Należy najpierw podgrzać do temperatury rzędu 100 mln stopni Celsjusza gaz złożony z dwóch izotopów wodoru (deuteru i trytu). Aby osiągnąć takie warunki, dokonuje się np. magnetycznego uwięzienia plazmy, gdzie rozgrzany gaz kontrolowany jest za pomocą silnych magnesów. Urządzeniem do eksperymentalnego jak dotąd, a nie komercyjnego przeprowadzania tego procesu jest tokamak – komora magnetyczna w kształcie pierścienia.

Specjaliści z Tennessee proponują tu swoje rozwiązanie, stellarator Infinity Two, jak opisują na łamach Journal of Plasma Physics „innowacyjny i przełomowy dodatek do rozwijającej się rodziny proponowanych projektów elektrowni fuzyjnych”. Niepomijalnym aspektem samej publikacji jest jednak to, by bardzo dziś dynamiczny kreatywny i biznesowy ferment w dziedzinie fuzji jądrowej i wynikłe z niego projekty były publicznie udostępniane i dokładnie badane przez społeczność naukową. Temu właśnie służyć ma owe sześć bardzo szczegółowych technicznych artykułów w numerze specjalnym.

W istocie przestało być kluczowe w tym wyścigu o własne słońce a nawet setki, tysiące niewielkich słońc, kto dobiegnie pierwszy, a zaczęło – jak realnie tam dobiec jak najszybciej, bez kolki i kontuzji. I podobnie, jak w sporcie, odpowiedzi powyżej pewnego poziomu profesjonalizmu może udzielić wyłącznie nauka. Która to w problematyce fuzji jądrowej już dawno nastawiła się na współpracę międzynarodową, a od niedawna – na jak najszersze udostępnianie danych technicznych i poddawanie ich krytycznej ocenie środowiska naukowych specjalistów. Podobnie zatem pięć lat temu opublikowany szczegółowo podstawy fizyczne Commonwealth Fusion Systems SPARC.

Czym jest stellarator?

Wspomniany wcześniej stellarator to maszyna, „która wykorzystuje złożone, helisowe (to nie do końca znaczy spiralne – przyp. MK-S) pola magnetyczne do ograniczenia plazmy, umożliwiając w ten sposób naukowcom jej kontrolowanie i tworzenie odpowiednich warunków do fuzji”. Technologia ta jest już z powodzeniem stosowana w Wendelstein 7-X, największym na świecie tokamaku badawczym znajdującym się w Niemczech. Uczonym skupionym w inicjatywie Type One Energy chodziło jednak o to, by tenże przeskalować do poziomu elektrowni pilotażowej.

A to oznacza, że nie chodzi o eksperyment z fuzją jądrową czy nawet długo funkcjonujący eksperymentalny tokamak, tylko o coś, co z zyskiem będzie komercyjnie działać i dostarczać energii do sieci, a zatem zgodnie z zapotrzebowaniem i najlepiej nieprzerwanie. W te sześć artykułów z opisem stellatora Infinity Two wczytują się dziś zatem fizycy plazmy, ale też inżynierowie różnych specjalności, bo to od ich krytycznych eksperckich uwag może teraz zależeć powodzenie tego ambitnego projektu wyjścia z energią fuzji jądrowej z laboratorium do warunków zwanych polowymi. Gdzie w dodatku nie wchodzi w grę tzw. rozpoznanie bojem i trzeba przewidzieć zasadniczo wszystko.

Jak opisano w komentarzu odautorskim, niejako wstępie do prezentowanej serii artykułów, „przedstawiają one fizyczną podstawę projektu pilotażowej elektrowni fuzyjnej Infinity Two, realistycznie rozważają po raz pierwszy, w oparciu o rzeczywiste doświadczenie w eksploatacji elektrowni, złożoną relację między konkurującymi wymaganiami dotyczącymi wydajności plazmy, rozruchu elektrowni, logistyki budowy, współczynnika wydajności elektrowni i kwestii ekonomicznych”.

Technicznie, w zaproponowanym rozwiązaniu wykorzystano modułowe magnesy o wysokim polu, a „analizy obliczeniowe fizyki plazmy przedstawione w artykułach pozwoliły firmie Type One Energy znacznie zmniejszyć ryzyko spełnienia wymagań funkcjonalnych i wydajnościowych elektrowni Infinity Two”.

Metodologia badań

Analizy opisane w tych artykułach, jak zapewniają autorzy, wykorzystywały najnowocześniejsze narzędzia do modelowania obliczeniowego i symulacji, a przetestowano je przy użyciu najnowszej generacji urządzeń badawczych do fuzji magnetycznej. To, że Infinity Two ma sporą szansę stać się podstawą dla opłacalnej pilotażowej elektrowni fuzyjnej opiera się na dostępie do szeregu najnowszych osiągnięć technicznych, takich jak magnesy nadprzewodzące w wysokiej temperaturze (HTS), wytwarzające siłę pola magnetycznego niezbędną do pracy w plazmie o wysokiej gęstości. Ponadto „Type One Energy zabezpieczyło wyłączne prawa \[…\] do sprawdzonej technologii kabli HTS z Massachusetts Institute of Technology do stosowania w stellaratorach”.

Wreszcie nic nie udałoby się bez superkomputerów (takich, jak należąca do Departamentu Energii USA maszyna eksaskalowa Frontier w Oak Ridge National Laboratory) zdolnych przeprowadzać trójwymiarowe symulacje fizyki plazmy. Obliczenia te zapewniają, że Infinity Two będzie stabilnie zasilana deuterem i trytem spalanymi w plazmowym stellaratorze o mocy 800 MW fuzji (chociaż istnieją tu obliczenia fizyki plazmy pozwalają ce na moc do ~ 3 GW).

Biorąc pod uwagę ogrom współczesnych wyzwań związanych z wytwarzaniem, dostępnością i czystością środowiskową energii przy stale rosnącym zapotrzebowaniu na nią, zintensyfikowanie prac nad udostępnieniem przemysłowi i gospodarstwom domowym energii termojądrowej jest potrzebą chwili.