W kilku pracach naukowych opublikowanych w ubiegłym roku fizycy opisywali, co będzie niezbędne do tego, by reaktor termojądrowy w końcu wyprodukował energię. Takie reaktory powstają od dziesięcioleci, ale nigdy jeszcze nie udało się uzyskać z nich więcej energii, niż pochłaniało ich uruchomienie i działanie.

Kluczem do bezpiecznej produkcji energii termojądrowej jest potężny magnes, który ma utrzymać w ryzach gaz rozgrzany do temperatury milionów stopni Celsjusza. Inżynierowie rozpoczęli więc jego projektowanie i budowę. Do końca nie wiadomo było, czy się to uda. Budowa takiego magnesu nie jest łatwa, prosta, ani szybka. Zajęła rok i dopiero niedawno została ukończona.

5 września inżynierowie włączyli prąd, a elektromagnes zaczął działać. Jego pole magnetyczne osiągnęło – zgodnie z oczekiwaniami – natężenie 20 tesli. To setki tysięcy razy więcej niż wynosi natężenie ziemskiego pola magnetycznego. Siła takiego magnesu z łatwością utrzymałaby w powietrzu żabę (za obliczenie, jak silne musi być pole magnetyczne, by tego dokonać, przyznano w 2000 roku nagrodę IgNobla).

Magnes trafi do budowanego reaktora SPARC. Będzie to testowa wersja reaktora ARC, który ma powstać w Stanach Zjednoczonych. Obliczenia wskazują, że powinien być to pierwszy reaktor, który wyprodukuje z termojądrowej fuzji energię

Czego wymaga fuzja? Ekstremalnych temperatur i supersilnych pól magnetycznych

Fuzja termojądrowa to proces, który zasila gwiazdy. W jego trakcie jądra atomowe lekkich pierwiastków łączą się w jedno większe. Uwalnia to olbrzymie ilości energii. Jednak by tak się stało, potrzebne są niezwykle wysokie temperatury rzędu dziesiątek milionów stopni. Nie wytrzyma tego żaden materiał znany ludzkości.

Jedynym sposobem, by utrzymać rozgrzany do takich temperatur gaz jest silne pole magnetyczne. W wysokich temperaturach atomy tracą swoje elektrony. W takim stanie, nazywanym plazmą, swobodnie krążą ujemnie naładowane elektrony i jądra atomowe o ładunku dodatnim.

Ponieważ plazma nie jest elektrycznie obojętna, podąża za liniami pola magnetycznego. Jeśli linie te tworzą na przykład okrąg, cząstki będą w nim się poruszać. Jednak ładunek elektryczny elektronów i atomowych jąder jest bardzo słaby, dlatego pole magnetyczne kontrolujące plazmę musi być niezwykle silne.

Supermagnesy działają dzięki nadprzewodnikom

Większość silnych magnesów to elektromagnesy, w których pole magnetyczne powstaje wskutek przepływu prądu przez materiał – zwykle są nim miedziane przewody. Zjawisko oporu elektrycznego sprawia jednak , że w elektromagnesie powstaje bardzo dużo ciepła, które trzeba usuwać, żeby nie przegrzać i nie stopić urządzenia.

Praktyczniej jest więc zastosować nadprzewodniki. To materiały, w których prąd płynie bez żadnego oporu. Do tej pory nie wynaleziono nadprzewodnika, który działa w temperaturze pokojowej. Nadprzewodnictwo pojawia się dopiero wtedy, gdy specyficzne materiały są schłodzone do bardzo niskich temperatur, bliskich zera absolutnego (minus 273,15 st. C, czyli zero stopni w skali Kelvina).

W potężnych elektromagnesach wykorzystuje się zwykle stopy niobu i cyny, w których nadprzewodnictwo pojawia się w temperaturze poniżej 4,2 stopnia kelwina. Pozwala to teoretycznie na wytworzenie pola magnetycznego o natężeniu do 30 tesli. Jest stopy niobu i cyny są bardzo trudne w obróbce. W praktyce do różnych części takich elektromagnesów wykorzystuje się więc także stopy niobu i tytanu oraz wanadu i galu. One również są przewodnikami niskotemperaturowymi, wymagającymi schładzania do temperatury poniżej 10 kelwinów.

Istnieją jednak tzw. nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Zjawisko nadprzewodnictwa pojawia się w nich w wyższych temperaturach, powyżej 77 kelwinów. Należą do nich bardzo złożone związki, takie jak tlenek bizmutu, strontu, wapnia i miedzi (bismuth strontium calcium copper oxide, BSCCO) czy tlenek itru, baru, i miedzi (yttrium barium copper oxide, YBCO). Działają one w na tyle wysokich temperaturach, że można je schładzać ciekłym azotem (a nie, jak w przypadku nadprzewodników niskotemperaturowych, znacznie droższym ciekłym helem).

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe pozwalają budować dwa razy mniejsze reaktory

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe pozwalają też na wytworzenie silniejszego pola magnetycznego upakowanego w mniejszej przestrzeni. To z kolei przekłada się na to, że cały reaktor termojądrowy może być mniejszy.

Na tym właśnie zasadza się pomysł na reaktor, który powstaje przy współpracy naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) ze spółką Commonwealth Fusion Systems (CFS). Zaprojektowany sześć lat temu reaktor termojądrowy ARC ma mieć komorę o średnicy zaledwie 185 cm. Będzie 10 razy mniejszy od powstającego we Francji eksperymentalnego reaktora ITER. To w dużym stopniu zasługa mniejszych magnesów. Ten w ARC ma mieć wysokość 2,5 metra, magnes w ITER – 13 metrów.

Kluczową rolę w nowym elektromagnesie odgrywają przewody z wysokotemperaturowego nadprzewodnika ReBCO (to stop miedzi z domieszką metali ziem rzadkich). Pozwolą na wytworzenie takiego samego pola magnetycznego, jak 40 razy większe magnesy zbudowane z nadprzewodników niskotemperaturowych.  Łączna długość przewodów w nowym elektromagnesie to 500 km – czyli cała roczna produkcja ReBCO na świecie.

Reaktor ARC, którego budowa ma zakończyć się w 2025 r, w założeniu wytworzy trzy razy tyle energii, ile zostanie zużyte na podgrzanie i utrzymanie plazmy. Europejski ITER, który ma ruszyć w tym samym roku, nie będzie natomiast produkował żadnej nadwyżki energii. Ma tylko dowieść, że termojądrową fuzję da się utrzymać w sposób ciągły.

Elektromagnes reaktora SPARC osiągający natężenie 20 tesli będzie na drugim miejscu w światowej klasyfikacji. Pierwszą pozycję zajmuje magnes MagLab DC Field Facility z National High Magnetic Field Laboratory w Tallahassee na Florydzie, który osiąga aż 45 tesli. To olbrzymia instalacja przeznaczona do badań naukowych. Włączana jest tylko w celu prowadzenia eksperymentów.

Źródła: MIT News [1] i [2].