Polski Atom

Naukowcy z konsorcjum EUROfusion ogłosili wyniki naukowe rekordowej kampanii eksperymentalnej przeprowadzonej w 2021 roku na największym na świecie tokamaku JET (Joint European Torus), który znajduje się w Wielkiej Brytanii. Wyniki ogłoszone podczas 29. konferencji IAEA (Fusion Energy Conference - FEC 2023) w Londynie dotyczącej syntezy jądrowej, obejmują pierwsze obserwacje procesu zwanego grzaniem cząstkami alfa, który umożliwia utrzymanie wysokiej temperatury paliwa w procesie fuzji. Kolejne istotne dane obejmują techniki kontroli mające na celu ochronę ścian urządzeń fuzyjnych, techniki nagrzewania oraz sposoby odzyskiwania paliwa termojądrowego wchłoniętego przez ściany reaktora.

W 2021 roku naukowcy z konsorcjum EUROfusion, w tym także polscy naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) w Warszawie, przeprowadzili specjalną kampanię eksperymentalną na tokamaku JET, aby zbadać ekstremalne warunki, jakie będą występowały w tokamaku ITER, eksperymentalnym reaktorze badawczym zlokalizowanym na południu Francji, oraz w przyszłych elektrowniach termojądrowych.

Naukowcom udało się osiągnąć odpowiednie warunki, w tym temperaturę wynoszącą 150 milionów stopni Celsjusza wewnątrz plazmy (gorącego, naładowanego gazu) zawieszonej wewnątrz pola magnetycznego urządzenia.

„Jednym z naszych najbardziej efektownych wyników jest pierwsza dokładna obserwacja paliwa termojądrowego utrzymującego swoją temperaturę poprzez ogrzewanie cząstkami alfa. Jest to proces, w którym wysokoenergetyczne jony helu (cząstki alfa) powstające w reakcji syntezy jądrowej przekazują swoją energię do otaczającej mieszanki paliwowej, aby utrzymać proces fuzji” – mówi Costanza Maggi, członek UKAEA i były lider Task Force JET. „Badanie tego procesu w realistycznych warunkach ma kluczowe znaczenie dla rozwoju elektrowni termojądrowych”.

Pierwsze spojrzenie na grzanie cząstkami alfa i inne wyniki

Badania przedstawione przez naukowców w zasadniczy sposób wpłyną na prace projektowe, a także działanie przyszłych eksperymentalnych urządzeń termojądrowych zasilanych paliwem deuterowo-trytowym (mieszanka dwóch izotopów wodoru wykorzystywana do produkcji energii termojądrowej) i pokazują potencjał fuzji jądrowej jako przyszłego źródła energii. Większość wyników została opublikowana w specjalnym wydaniu czasopisma naukowego „Nuclear Fusion”, a prace dotyczące grzania cząstkami alfa ukazały się w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters”.

• Pierwsze spostrzeżenia dotyczące grzania cząstkami alfa, kiedy to wysokoenergetyczne jony helu (cząstki alfa) wytwarzane w reakcjach syntezy jądrowej utrzymują wystarczającą temperaturę otaczającej mieszanki paliwowej, nie zakłócając warunków syntezy.
• Udana demonstracja techniki odprowadzania ciepła, chroniącej ściany tokamaka. Dywertor jest jedyną częścią tokamaka (urządzenia w kształcie pączka używanego do utrzymania gorącej plazmy), która wchodzi w bezpośredni kontakt z gorącym paliwem i musi wytrzymać bardziej intensywne warunki niż statki kosmiczne ponownie wchodzące w atmosferę ziemską.
• Eksperymenty potwierdziły przewidywania zawarte w zaawansowanych modelach komputerowych dotyczących transportu ciepła w plazmie, które mają kluczowe znaczenie dla ekstrapolacji wyników z bieżących układów eksperymentalnych na większe przyszłe urządzenia takie jak ITER i DEMO.
• Pomyślne testy metod odzyskiwania paliwa trytowego, które zostało wchłonięte przez wewnętrzną metalową ścianę tokamaka. Efektywne odzyskiwanie trytu ma kluczowe znaczenie dla eksploatacji i wycofania urządzeń termojądrowych po zakończeniu ich eksploatacji.
• Zweryfikowana technika grzania plazmy zaplanowana dla projektu ITER, w celu zdeponowania ciepła zewnętrznego dokładnie tam, gdzie jest to potrzebne. Demonstracja ta daje pewność co do projektu i planowanego działania międzynarodowego przedsięwzięcia termojądrowego ITER.

Rekordowe osiągnięcie

Tokamak JET to jedyne urządzenie, które może wytwarzać duże ilości reakcji termojądrowych ze względu na swoją unikalną zdolność do pracy z mieszanką paliwową deuter-tryt (D-T). Jest to wysokowydajna mieszanka paliwowa, która będzie stosowana także w międzynarodowym projekcie ITER i przyszłej europejskiej demonstracyjnej elektrowni termojądrowej DEMO.

Podczas drugiej eksperymentalnej kampanii deuterowo-trytowej (DTE2) na JET w 2021 roku ustanowiono światowy rekord wynoszący 59 megadżuli w zakresie największej ilości ciepła termojądrowego wytworzonego w jednym strzale, co po ogłoszeniu w lutym 2022 roku spotkało się z dużym zainteresowaniem opinii publicznej.

Volker Naulin, manager Działu Nauki o Fuzji w EUROfusion:

Kampanię DTE2 przygotowywano przez wiele lat. Wyniki naukowe i rekord energii osiągnięty na JET w 2021 roku pokazują, że rozumiemy i kontrolujemy plazmę termojądrową w warunkach możliwie najbardziej zbliżonych do tych zagwarantowanych w przyszłych urządzeniach termojądrowych. Przewidzieliśmy i ostatecznie pokazaliśmy, że możemy wytwarzać, utrzymywać i badać syntezę jądrową w warunkach o wysokiej wydajności, tak długo, jak pozwala na to urządzenie. Potwierdza to, że jesteśmy na dobrej drodze do dostarczania energii otrzymywanej z reakcji syntezy jądrowej do sieci.

Ambrogio Fasoli, dyrektor Szwajcarskiego Centrum Plazmy i manager-elekt programu EUROfusion:

Kampania JET DTE2 wzbogaciła rozległą wiedzę na temat magnetycznego utrzymania plazmy, które stanowi podstawę funkcjonowania tokamaka ITER. Pomoże także w kierowaniu rozwojem DEMO, które jest głównym urządzeniem europejskiej strategii na rzecz elektrowni termojądrowych. Wyniki naukowe obejmowały prace nad warunkami plazmy i materiałami kompatybilnymi z elektrowniami oraz informacje istotne dla ogólnej strategii europejskiej. Stanowią one podstawę bezpiecznego podejścia do spalania plazmy w tokamaku ITER.

Fernanda Rimini, straszy manager ds. eksploatacji JET (UKAEA):

Sukces JET leży w wizji, ambicji i wyjątkowym połączeniu fizyki oraz talentu inżynieryjnego zespołu projektowego: stworzył on urządzenie o unikalnych na tamte czasy cechach – rozmiarach oraz możliwościach zastosowania paliwa D-T. Powstało także środowisko, w którym nawiązał się dialog oraz zacieśniła integracja fizyki i inżynierii. Zespół JET kontynuował tradycję dążenia do doskonałości, pracując przez ostatnie 40 lat nad postępem badań nad syntezą jądrową.

Agata Chomiczewska, krajowy koordynator badań na tokamaku JET, IFPiLM:

Cieszymy się, że polscy naukowcy mają swój udział w sukcesie, jaki osiągnięto na tokamaku JET podczas kampanii DTE2. Nauka ma to do siebie, że ciągle odkrywamy coś nowego. Przed nami stoi jeszcze wiele wyzwań, ale dzięki wspólnej determinacji w dążeniu do celu, realna staje się perspektywa komercyjnych elektrowni termojądrowych.

40 lat nauki o fuzji

JET to największe i odnoszące znaczące sukcesy urządzenie do przeprowadzania kontrolowanych reakcji termojądrowych na świecie oraz centralny ośrodek badawczy europejskiego programu fuzji jądrowej. JET ma swoją siedzibę na terenie kampusu UKAEA w Culham w Wielkiej Brytanii i korzysta z niego ponad 31 europejskich laboratoriów – zarządzanych przez konsorcjum EUROfusion współfinansowane przez Komisję Europejską – wśród nich eksperci, studenci oraz pracownicy z całej Europy.

W niedzielę 25 czerwca bieżącego roku badacze zajmujący się syntezą jądrową w Europie i na świecie świętowali 40. rocznicę pierwszej wyprodukowanej na JET plazmy. Od momentu powstania w 1983 roku tokamak JET inicjuje przełomowe osiągnięcia i próby odnalezienia bezpiecznych, niskoemisyjnych i zrównoważonych rozwiązań w zakresie energetyki termojądrowej, aby sprostać przyszłemu zapotrzebowaniu świata w energię.

W trakcie swojego istnienia JET dostarczył kluczowych informacji na temat złożonej mechaniki fuzji, umożliwiając naukowcom zaplanowanie międzynarodowego eksperymentu termojądrowego ITER i demonstracyjnej elektrowni termojądrowej DEMO projektowanej obecnie przez europejską społeczność zajmującą się syntezą jądrową.

Potencjał energii z fuzji jądrowej

Fuzja, proces zasilający gwiazdy takie jak nasze Słońce, zapewnia w dłuższej perspektywie niemal nieograniczone, czyste źródło energii elektrycznej przy użyciu niewielkich ilości paliwa, które można pozyskać na całym świecie z niedrogich materiałów. Proces fuzji łączy atomy lekkich pierwiastków, takich jak wodór, w wysokich temperaturach, tworząc hel i uwalniając ogromną energię w postaci ciepła. Fuzja jest z natury bezpieczna, ponieważ nie może rozpocząć niekontrolowanego procesu i nie powoduje powstania odpadów o długim procesie rozkładu.

Źródło: EUROfusion, IFPiLM