W zaciszu rosyjskich laboratoriów trwają prace, które mogą przybliżyć nas do realizacji jednej z największych obietnic współczesnej fizyki – kontrolowanej syntezy jądrowej. Tym razem nie chodzi o ogólne deklaracje, ale o konkretny, namacalny komponent, który właśnie pomyślnie przeszedł testy. Jego parametry sugerują, że rosyjski program badawczy w tej dziedzinie może podążać własną, dość intrygującą ścieżką.
Prace prowadzone w petersburskim Instytucie Aparatury Elektrofizycznej im. D.V. Efremowa (NIIEFA) wpisują się w globalny wyścig o to, kto pierwszy zbuduje opłacalny reaktor syntezy jądrowej. Do tej pory najbardziej rozpoznawalnym symbolem tej rywalizacji był międzynarodowy projekt ITER, który co kilka lat przypomina światu o swojej skali głównie poprzez kolejne komunikaty o opóźnieniach i rosnących kosztach. Rosja proponuje inną strategię: zamiast gigantycznej instalacji demonstracyjnej stawia na bardziej kompaktowy, eksperymentalny tokamak TRT i zupełnie nowy typ przewodu nadprzewodnikowego, który ma stać się jego elektromagnetycznym kręgosłupem. Czy jednak warto wierzyć państwu w te obietnice?
Konstrukcja i rekordowe możliwości przewodu dla tokamaka TRT
Opracowany właśnie przez Rosjan pięciometrowy segment to zaawansowana technologicznie konstrukcja. Jej serce stanowi 240 cienkich taśm nadprzewodzących, osadzonych w stabilizującej je miedzianej matrycy i zamkniętych w obudowie ze stali nierdzewnej. Całość ma przekrój kwadratu o boku 26 milimetrów, co można porównać ot do byle grubszego kabla od zasilacza laptopa. Oznacza to, że inżynierowie próbują zagęścić moc elektromagnesów i zmieścić ją w bardziej kompaktowej objętości. Jeśli te obietnice się potwierdzą, to kolejne pokolenie tokamaków może już nie przypominać monumentalnej konstrukcji, lecz bardziej zwarte, wyspecjalizowane urządzenia badawcze lub źródła neutronów.
Nadprzewodnik, o którym mowa, jest w praktyce wyspecjalizowaną wiązką taśm z tlenkowej ceramiki YBCO. Takie taśmy nie zachowują się jak klasyczny metalowy przewód: mają strukturę warstwową, wymagają precyzyjnej kontroli naprężeń mechanicznych i starannie zaprojektowanej ścieżki chłodzenia. Ich przewaga polega na tym, że utrzymują właściwości nadprzewodzące przy wyższych temperaturach niż klasyczne stopy niobu używane w ITER, co z kolei pozwala korzystać z prostszych układów kriogenicznych i podnosić dopuszczalne pole magnetyczne oraz gęstość prądu.
Wyjątkowy typ przewodu nadprzewodnikowego miał zostać przetestowany z sukcesem
Podczas testów, o których poinformował instytut, przewód schłodzony ciekłym azotem do temperatury -196 stopni Celsjusza osiągnął stan nadprzewodnictwa i utrzymał swoje właściwości przy imponujących parametrach pracy. Andrey Mednikov, kierownik działu badań systemów nadprzewodzących w NIIEFA, potwierdza, że przewód zaprojektowano do przenoszenia prądu o natężeniu 65 tysięcy amperów w polu magnetycznym o sile 18 tesli. Dla zobrazowania skali, jest to natężenie ponad 350 tysięcy razy silniejsze od naturalnego pola magnetycznego Ziemi.
Czytaj też: Speleolodzy odkryli gigantyczną podziemną komorę. Ma kilkanaście pięter wysokości
Co ciekawe, testy zostały przeprowadzone w nieco wyższych temperaturach niż te docelowe dla finalnego zastosowania. Jest to świadome posunięcie mające na celu obniżenie kosztów i przyspieszenie prac rozwojowych. Zamiast od razu inwestować w skomplikowane i drogie układy chłodzące zdolne do osiągnięcia temperatury bliskiej zera absolutnego, inżynierowie weryfikują podstawowe parametry materiału przy użyciu stosunkowo taniego i łatwo dostępnego ciekłego azotu. Docelowo przewód ma pracować w zakresie od 5 do 20 kelwinów, czyli między -268 a -253 stopniami Celsjusza, gdzie jego wydajność teoretycznie powinna być jeszcze lepsza.
Rosyjska technologia kontrastuje z rozwiązaniem przyjętym w projekcie ITER
Porównanie z największym na świecie eksperymentalnym reaktorem, budowanym we Francji w ramach międzynarodowego projektu ITER, jest tutaj nieuniknione i bardzo pouczające. Oba przedsięwzięcia reprezentują odmienne filozofie techniczne. ITER opiera się na konwencjonalnych nadprzewodnikach niskotemperaturowych, takich jak stopy niobu z tytanem lub cyną, które wymagają ekstremalnego chłodzenia do około 4,5 kelwina (-269 °C). Rosyjski tokamak TRT stawia natomiast na taśmy z tlenku itru, baru i miedzi (tzw. nadprzewodniki wysokotemperaturowe), które zachowują swoje właściwości w nieco łagodniejszych warunkach termicznych.
Czytaj też: Skalne archiwa Ziemi. Co nam mówią o tym, co było i co będzie?
Różnice są jednak głębsze niż tylko wybór materiału. Przewód opracowany dla TRT jest pod względem gabarytów niemal dwukrotnie bardziej kompaktowy od swojego odpowiednika w ITER (26 mm vs 54 mm boku). Jednocześnie mimo tych mniejszych rozmiarów, twórcy deklarują, że ich rozwiązanie wytrzymuje pola magnetyczne do 20 tesli i może przenosić prądy do 80 kiloamperów. Dla porównania, magnesy ITER mają generować pola rzędu 8-13 tesli przy prądach 48-68 kA. Oznacza to, że rosyjska technologia oferuje potencjalnie wyższą gęstość mocy w mniejszej objętości, co mogłoby przełożyć się na mniejsze i być może tańsze w budowie przyszłe reaktory.
Warto jednak zauważyć, że ITER to projekt o nieporównywalnie większej skali i innym, demonstracyjnym celu, więc bezpośrednie porównywanie samych parametrów przewodów nie oddaje pełni złożoności obu przedsięwzięć.
Harmonogram prac i realistyczna ocena szans na powodzenie.
NIIEFA przedstawiło dość konkretny plan dalszych działań. W 2026 roku instytut zamierza wyprodukować i przetestować dwa znacznie dłuższe przewody, każdy o długości przekraczającej 60 metrów. Będą to już elementy zbliżone rozmiarem do tych, które faktycznie trafią do reaktora. Rok później, bo w 2027 roku, planowane jest już zbudowanie makietowej wersji kluczowego elementu tokamaka – centralnego solenoidu. Ta prototypowa cewka o średnicy jednego metra, złożona z 40 zwojów przewodu, posłuży jako wzór dla tysięcy metrów tego materiału potrzebnych do budowy pełnowymiarowego urządzenia.
Czytaj też: Co by się stało, gdyby zniknęły wszystkie owady?
Sam tokamak TRT ma powstać w Troickim Instytucie Badań Innowacyjnych i Termojądrowych. Należy podkreślić, że nie będzie to elektrownia produkująca energię dla sieci, lecz zaawansowane laboratorium badawcze. Jego głównym zadaniem będzie studiowanie zachowania plazmy oraz opracowanie technologii obsługi trytu, czyli paliwa dla przyszłych reaktorów. Sceptycyzm jest jak najbardziej na miejscu, bo do tej pory wiele zespołów na świecie ogłaszało przełomy w nadprzewodnictwie dla fuzji, które później długo czekały na praktyczną weryfikację.
Co to wszystko może oznaczać dla przyszłości energetyki?
Z perspektywy energetyki syntezy jądrowej rosyjski przewód HTS dla TRT jest ciekawym testem dwóch tez naraz. Pierwsza brzmi: czy wysokotemperaturowe nadprzewodniki rzeczywiście pozwolą w praktyce zmniejszyć i uprościć magnesy tokamaków bez ukrytych kosztów w postaci większej awaryjności, trudniejszych połączeń czy problemów mechanicznych? Druga jest szersza i dotyczy samego modelu rozwoju, bo czy obok gigantów pokroju ITER jest miejsce na tańsze, szybsze w realizacji instalacje, które będą dostarczać danych technologicznych potrzebnych do zbudowania komercyjnych reaktorów dopiero w kolejnych iteracjach? Odpowiedź na to mamy poznać już w przeciągu nadchodzących dwóch lat, ale finalnie nawet jeśli TRT nigdy nie stanie się elektrownią, to może odegrać ważną rolę w globalnym wyścigu o opanowanie fuzji, dostarczając wiedzy, którą później wykorzystają także inni gracze.
