Europejscy naukowcy ustanowili rekord energetyczny dla fuzji jądrowej

Nowe osiągnięcie uzyskano w ramach kampanii eksperymentalnej EUROfusion. Jej celem jest weryfikacja 20-letnich efektów badań syntezy jądrowej i przygotowanie do rozpoczęcia innego, międzynarodowego projektu - ITER.

Fuzja termojądrowa to proces, który "zasila" gwiazdy, takie jak nasze Słońce. Z fizycznego punktu widzenia jest ona procesem połączenia dwóch atomów, np. deuteru z deuterem albo deuteru i trytu, które tworzą inny atom - hel, a przy okazji wydziela się energia. Ponieważ jądra atomów mają ładunek dodatni, odpychają się. Do zderzenia można je jednak zmusić, np. kompresując plazmę impulsem laserowym albo rozpędzając atomy przez podgrzewanie gazu do bardzo wysokiej temperatury, sięgającej 80 albo 100 mln stopni. Im większa temperatura, tym większa jest prędkość i szansa, że atomy zdążą się zderzyć.

Plazmę można podgrzewać mikrofalami, przepuszczając przez nią prąd, albo za pomocą iniektorów, wstrzeliwujących w obszar plazmy rozpędzoną wiązkę atomów deuteru. Po podgrzaniu, plazma zaczyna produkować energię. Podobnie jak w elektrowni węglowej czy atomowej, ciepło odbierane jest za pomocą wody, którą podgrzewa - albo zamienia w parę.

Fuzję można przeprowadzać w różnych urządzeniach, stellaratorach lub tokamakach, w których główna komora ma kształt torusa. Odbywa się ona w specjalnym zbiorniku, w którym panuje bardzo niskie ciśnienie. Plazma jest tak gorąca, że nie może mieć bezpośredniego kontaktu ze ściankami zbiornika. Jest ona utrzymywana w zwartym słupie wewnątrz pierścienia dzięki silnemu polu magnetycznemu. Energia uwalnia się w postaci ciepła, które można przekształcić w energię elektryczną.

Eksperci twierdzą, że w dalszej perspektywie opanowanie fuzji termojądrowej oznacza źródło czystej energii elektrycznej z wykorzystaniem niewielkiej ilości paliwa, które można pozyskiwać na całym świecie z niedrogich materiałów. Do tego fuzja jest z natury bezpieczna, gdyż nie może rozpocząć procesu, którego nie da się kontrolować, jak to jest w przypadku rozszczepu atomu.

Naukowcy od lat starają się opanować kolejne kroki w tym procesie.

W środę międzynarodowy zespół ekspertów poinformował o przeprowadzeniu rekordowych reakcji syntezy jądrowej. Eksperyment przeprowadzono w tokamaku Joint European Torus (JET), który powstał i działa w Culham w Wielkiej Brytanii jako Wspólne Przedsięwzięcie Wspólnoty Europejskiej od 1977 r.

Reakcje syntezy jądrowej uwolniły w sumie 59 megadżuli energii w postaci ciepła podczas pięciosekundowej fazy wyładowania plazmy. Wyrażając to w jednostkach mocy (energia na jednostkę czasu), JET osiągnął uśrednioną moc wyjściową nieco ponad 11 megawatów (megadżuli na sekundę) w ciągu pięciu sekund. Poprzedni rekord energetyczny z roku 1997 (również ustanowiony przez JET i także dotyczący deuteru i trytu) wynosił niecałe 22 megadżule całkowitej energii i 4,4 megawata mocy uśrednionej w ciągu pięciu sekund (to ponad 2,5 razy mniej, niż wynosi nowy rekord).

Za nowym dokonaniem stoją naukowcy z konsorcjum EUROfusion, złożonego z 30 organizacji badawczych oraz 150 podmiotów stowarzyszonych, w tym uczelni i firm z 25 krajów Unii Europejskiej oraz Wielkiej Brytanii, Szwajcarii i Ukrainy - w sumie około 4800 ekspertów, studentów i pracowników. Polskę reprezentuje w nim Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM). Program EUROfusion ma dwa cele: przygotowanie do eksperymentów na tokamaku ITER i opracowanie koncepcji przyszłej europejskiej demonstracyjnej elektrowni termojądrowej EU DEMO.

„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" - tak wyniki uzyskane w tokamaku JET podsumowuje Tony Donné, manager programu EUROfusion.

„Stabilne wyładowanie deuteru z trytem na tym poziomie energetycznym - prawie na skalę przemysłową - potwierdza sens działania wszystkich zaangażowanych w fuzję na świecie. W przypadku projektu ITER wyniki JET pozwalają nam zakładać, że jesteśmy na dobrej drodze do zademonstrowania mocy syntezy jądrowej" - komentuje dyrektor ITER, Bernard Bigot.

Jak podkreśla dr hab. Agata Chomiczewska z IFPiLM, nowe wyniki stanowią zwieńczenie ważnego etapu badań nad kontrolowaną syntezą jądrową. "Coraz bardziej realna staje się wizja opracowania technologii bezpiecznego wytwarzania naprawdę czystej i taniej energii" - dodała.

Monika Kubkowska z IFPiLM i członek Rady Zarządzającej konsorcjum EUROfusion zaznaczyła z kolei, że energia termojądrowa "jest przyszłością", a "świat potrzebuje czystej, niskoemisyjnej i nieograniczonej energii".

JET powstał i działa w Culham w Wielkiej Brytanii jako Wspólne Przedsięwzięcie Wspólnoty Europejskiej od 1977 r. Od 2000 r. obiekt obsługiwany jest przez UK Atomic Energy Authority (UKAEA). Wcześniejsze eksperymenty z paliwem dla przyszłych elektrowni termojądrowych przeprowadzono tam w 1997 roku. Ponieważ tryt jest rzadkim surowcem, który również stwarza szczególne trudności, zespoły badawcze zwykle używają wodoru lub deuteru do eksperymentów z plazmą. W przyszłych elektrowniach tryt będzie powstawał z litu podczas produkcji energii.

JET jest obecnie największym na świecie obiektem syntezy jądrowej i jedyny działający tokamak na świecie, który może wykorzystywać tę samą mieszankę paliwową deuteru i trytu (D-T), jaka została zaplanowana dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

Plazma osiąga w nim temperaturę 150 mln stopni Celsjusza, czyli 10 razy wyższą niż wewnątrz Słońca. W tokamaku JET można osiągnąć warunki podobne do warunków panujących w przyszłych elektrowniach termojądrowych i w innym urządzeniu, ITER, dla którego JET stanowi poligon doświadczalny. Reaktor eksperymentalny ITER to większa i bardziej zaawansowana wersja tokamaka, budowana w południowej Francji jako jeden z największych wspólnych projektów naukowych w historii - powstał we współpracy pomiędzy Chinami, UE, Indiami, Japonią, Koreą Południową, Rosją i USA. Jest on elementem projektu badawczego poświęconego badaniom nad syntezą jądrową, a jego celem jest demonstracja naukowych i technologicznych możliwości energii termojądrowej.

Naukowcy oczekują, że (wykorzystując paliwo deuterowo-trytowe) ITER będzie w stanie uwolnić dziesięć razy więcej energii, niż jest dostarczane do plazmy w postaci energii grzewczej.

Aby maksymalnie zbliżyć najnowszy eksperyment JET do przyszłych warunków ITER-a, poprzednia węglowa wyściółka komory plazmowej została zastąpiona mieszanką berylu i wolframu. Wolfram jest bardziej odporny niż węgiel, który ponadto magazynuje za dużo wodoru. Jednak metalowa ściana stawia nowe wymagania co do jakości sterowania plazmą.

Eksperymenty prowadzone w reaktorach syntezy jądrowej pozwolą lepiej opanować procesy niezbędne do uzyskiwania energii termojądrowej w odległej przyszłości. Pracując nad nimi, naukowcy uczą się, jak utrzymywać plazmę (czyli "gorący kawałek Słońca") przez dłuższy czas w polu magnetycznym i czerpać z niego energię. Jest to warunek, żeby przyszłe elektrownie termojądrowe w ogóle działały.