W nowej pracy opublikowanej w „Nature” naukowcy zajmujący się fuzją jądrową potwierdzają, że niemiecki reaktor termojądrowy Wendelstein 7-X może osiągnąć temperatury dwukrotnie wyższe niż wewnątrz Słońca. Fizykom i inżynierom udało się ograniczyć niezmiernie istotny czynnik strat ciepła. A to oznacza duży krok na drodze do fuzji jądrowej.

- To bardzo ekscytujące dla badań na fuzją, że taki projekt odnosi sukcesy – mówi Novimir Pablant z amerykańskiego Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).

Reakcja termojądrowa, która polega na łączeniu się lżejszych jąder w cięższe (na przykład wodoru w hel), jest źródłem energii we wnętrzu gwiazd. Wodoru mamy na Ziemi pod dostatkiem, można go czerpać z morskiej wody. Opanowanie tej technologii dałoby naszej cywilizacji energię na miliony lat.

Poskręcane czy proste – czyli tokamaki i stellaratory

Jednak by termojądrowa fuzja zaszła, potrzeba ekstremalnie wysokich temperatur lub ciśnienia. W niższych atomowe jądra są odpychane przez siły elektrostatyczne i nie ma szans na to, by się połączyły.

Gaz rozgrzany do tak wysokich temperatur nazywany jest plazmą. Niezwykle trudno utrzymać ją w miejscu. Jest to główny problem techniczny, z którym inżynierowie borykają się od początków prac nad fuzją, sięgających lat 40. ubiegłego wieku.

Niemiecki reaktor utrzymuje plazmę w magnetycznej pułapce. Dzięki swojej poskręcanej konstrukcji – Wendelstein przypomina mocno poskręcany precel – uwięzienie plazmy wymaga mniejszej mocy magnesów niż w reaktorach o prostej, nieposkręcanej konstrukcji (zwanych tokamakami).

Wendelstein 7-X jeszcze inną przewagę. W tokamakach ekstremalnie wysokie temperatury można osiągnąć tylko w impulsach. Poskręcana konstrukcja (zwana stellaratorem) pozwala na pracę ciągłą.

Stellarator ma jednak wadę. W porównaniu do tokamaka plazma łatwiej wędruje w nim ku brzegom magnetycznej pułapki. Przez to straty ciepła – a więc energii – są większe.

30 milionów stopni we wnętrzu reaktora Wendelstein 7-X

W opublikowanej w „Nature” pracy badacze opisują, jak poprawiona konstrukcja magnesów w stellaratorze Wendelstein 7-X korzystnie wpłynęła na jego pracę. Zmniejszyła bowiem straty ciepła spowodowane migracją plazmy ku brzegom magnetycznych tuneli-pułapek.

Pomiar temperatur wewnątrz stellatora wcale nie jest prosty. Do tego celu wykorzystuje się specjalne urządzenia, które pozwalają podejrzeć wnętrze za pomocą promieni rentgenowskich (technika to X-ray imaging crystal spectrometry, XICS). Dodatkowa metoda, bardziej czuła, ale i bardziej zawodna (charge exchange recombination spectroscopy, CXRS) pozwoliła potwierdzić otrzymane wyniki.

Jakie? Z pomocą obu technik udało się ustalić, że temperatura we wnętrzu reaktora Wendelstein 7-X dochodzi do 30 milionów kelwinów (30 mln st. C). Taki wynik jest możliwy, tylko jeśli nie zachodzi migracja plazmy ku brzegom (jak wynika z obliczeń i symulacji). A to oznacza, że udało się ograniczyć kosztowne straty energii w stellaratorach.

Coraz bliżej do produkcji energii z termojądrowej fuzji

Tokamaki osiągały już takie temperatury, ale (jak już wspominaliśmy) nie pracują w sposób ciągły. Uzyskanie tego wyniku przez niemiecki stellarator wskazuje, że taka konstrukcja reaktora może ostatecznie okazać się lepsza.

To duży krok naprzód na drodze do fuzji jądrowej jako źródła energii. Niestety – nie ostatni, jaki trzeba zrobić. Temperatura plazmy to nie wszystko, liczy się także jej gęstość i wyeliminowanie turbulencji (gdy plazma płynie, powstają w niej wiry niepożądane dla procesu fuzji). Kluczowy jest także czas, przez jaki takie warunki można utrzymać.

Największy jest jednak inny problem. Żeby podgrzać plazmę do temperatur rzędu dziesiątek milionów stopni, potrzeba olbrzymich ilości energii. Żaden reaktor termojądrowy nie wyprodukował jeszcze więcej energii, niż ta, którą się go zasila. Różnica jednak stale się zmniejsza – a w ostatnich latach dzieje się to coraz szybciej.

Przełom nad fuzją w National Ignition Facility

Wendelstein 7-X jest obecnie ulepszany i wznowi pracę w 2022 roku. Tymczasem całkiem niedawno o przełomie donosili amerykańscy badacze z z National Ignition Facility (NIF) w Kalifornii. Naukowcom udało się doprowadzić do fuzji termojądrowej wodoru za pomocą innej metody - ściskania i podgrzewania za pomocą laserów mikroskopijnych kapsułek z izotopami wodoru.

Przez dekady postęp w tej dziedzinie był tak powolny, że zastanawiano się nawet, czy nie porzucić prac nad nią. Jednak dość nieoczekiwanie w ciągu ostatnich dwóch lat sytuacja się zmieniła. Całkiem niedawno, bo 18 sierpnia, fizycy z NIL ogłosili, że udało im się osiągnąć odpowiednią moc laserów i zainicjować fuzję.

Na razie nie wyprodukowano w ten sposób nadwyżki energii, ale granica była bardzo blisko. Kto wie, może reaktory produkujące energię z termojądrowej fuzji zobaczymy jeszcze za naszego życia?

Źródła: Nature