Zdjęcie: Adobe Stock
Europejski reaktor fuzyjny WEST pomyślnie utrzymywał plazmę wodorową przez około 22 minuty, bijąc niedawny chiński rekord ustanowiony zaledwie kilka tygodni wcześniej. To osiągnięcie stanowi znaczący kamień milowy w dążeniu do pozyskiwania energii z fuzji jądrowej, według dr hab. Agaty Chomiczewskiej, profesor w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM).
Jak podaje CEA-IRFM, reaktor fuzyjny WEST zdołał utrzymać plazmę wodorową przez 1337 sekund, a założony czas wyniósł 1000 sekund.
„Obecne osiągnięcie, utrzymanie plazmy przez 1337 sekund (ponad 22 minuty) w tokamaku WEST, stanowi znaczący postęp, chociaż nie jest to przełomowe odkrycie. Obecnie naukowcy koncentrują się na osiągnięciu dłuższych okresów stabilnej plazmy, testując materiały i ulepszając systemy sterowania. To kolejne osiągnięcie w postępowym rozwoju technologii syntezy jądrowej, przybliżające nas do przyszłych komercyjnych reaktorów” – stwierdziła prof. Agata Chomiczewska.
Ten kamień milowy stanowi krok naprzód w światowych staraniach o uruchomienie ITER (Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego), który jest obecnie budowany we Francji i ma na celu zbadanie możliwości wytwarzania energii na dużą skalę z fuzji jądrowej w nadchodzącym dziesięcioleciu.
„Utrzymanie plazmy, która jest z natury niestabilna przez dłuższy czas, jest jednym z największych wyzwań w fuzji jądrowej. WEST wyróżnia się wśród europejskich tokamaków dzięki nadprzewodzącym magnesom, które umożliwiają dłuższe czasy utrzymywania. Ponadto dolny dywersor WEST (element reaktora poddany największemu naprężeniu termicznemu) został w pełni wyposażony w aktywnie chłodzone części, wykorzystując tę samą technologię, co dywersor ITER” – podkreśliła prof. Chomiczewska.
Badania nad technologiami fuzji trwają od ponad 70 lat. „Chociaż wciąż jesteśmy daleko od dostępu do komercyjnej energii fuzyjnej, tempo postępów w tej dziedzinie znacznie wzrosło w ostatnich latach. Optymistyczne prognozy wskazują, że pierwsze komercyjne reaktory fuzyjne mogą być operacyjne w latach 40. XXI wieku. Przedsiębiorstwa prywatne opracowują bardziej kompaktowe i wydajne rozwiązania, które mogłyby przyspieszyć wdrażanie tej technologii. Uważam jednak, że w średnim okresie, a konkretnie do 2050 roku, energia fuzyjna nie zastąpi paliw kopalnych ani odnawialnych źródeł energii, ponieważ pozostaje w fazie eksperymentalnej” — zauważył ekspert.
„W dłuższej perspektywie ma potencjał, aby stać się krytycznym składnikiem globalnego miksu energetycznego, chociaż może nie zastąpić całkowicie innych źródeł. Jeśli rozwój tej technologii się powiedzie, fuzja jądrowa może stać się jednym z kamieni węgielnych globalnego sektora energetycznego za kilka dekad, ale na razie pozostaje wizją na przyszłość” – dodała.
W grudniu WEST udało się utrzymać plazmę przez 824 sekundy. 12 lutego tego roku osiągnął czas utrzymywania plazmy wynoszący 1337 sekund. Całkowita energia wprowadzona do eksperymentu i odzyskiwania za pomocą wyspecjalizowanego systemu odbiorczego wyniosła 2,6 GJ.
„WEST wykazał, że rekordowe czasy utrzymywania plazmy można osiągnąć dzięki nowoczesnym systemom grzewczym, takim jak anteny LH (Lower Hybrid), które ogrzewają plazmę za pomocą fal radiowych o częstotliwościach pomiędzy cyklotronowymi częstotliwościami jonów i elektronów. Fale te przekazują energię elektronom, podnosząc temperaturę plazmy i generując dodatkowy prąd elektryczny, wspomagając stabilizację. Ten aspekt jest kluczowy dla przyszłych badań nad reaktorami, ponieważ reaktory będą musiały utrzymywać plazmę przez godziny, a nie tylko minuty, aby nieprzerwanie wytwarzać energię. Wydłużone utrzymywanie plazmy w warunkach zbliżonych do tych wymaganych w reaktorze ITER pokazuje, że naukowcy poprawiają swoją zdolność do kontrolowania tego niezwykle niestabilnego stanu materii” – wyjaśniła prof. Chomiczewska.
Jednym z największych wyzwań stojących przed projektantami reaktorów fuzyjnych jest zarządzanie plazmą o temperaturze wynoszącej około 100 milionów stopni.
„Eksperymenty przeprowadzane w WEST są również kluczowe dla testowania technologii, które zostaną włączone do ITER i kolejnych reaktorów fuzyjnych. Kluczowym czynnikiem jest trwałość materiału w ekstremalnych warunkach panujących w tokamaku. Elementy wolframowe, które mają bezpośredni kontakt z plazmą, muszą wytrzymać intensywne promieniowanie i wysokie temperatury bez degradacji. Długotrwała konserwacja plazmy umożliwia precyzyjną ocenę ich odporności i dostosowanie przyszłych projektów reaktorów” — zauważył ekspert.
Sukces reaktora WEST jest kontynuacją rekordu ustanowionego przez chiński Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), który zawierał plazmę przez 1066 sekund. Chiny są również częścią konsorcjum odpowiedzialnego za budowę reaktora ITER, którego ostatecznym celem jest stworzenie elektrowni fuzyjnych.
Jedną z zalet tego typu reaktora jest łatwa dostępność paliwa pochodzącego z izotopów wodoru. „Przyszłe reaktory komercyjne będą wykorzystywać jako paliwo połączenie deuteru i trytu. Chociaż tryt nie występuje naturalnie w dużych ilościach, można go wytwarzać w reaktorze z litu. Zasoby litu, podobnie jak deuteru znajdującego się w wodzie morskiej, są wystarczająco duże, aby utrzymać elektrownie termojądrowe przez dziesiątki tysięcy lat. Stąd fuzja jądrowa jest uważana za niewyczerpane i szeroko dostępne źródło energii” – wyjaśniła prof. Chomiczewska.
Jednocześnie technologia ta nie wytwarza niebezpiecznych odpadów. „W przeciwieństwie do tradycyjnych elektrowni jądrowych, fuzja nie wytwarza długotrwałych odpadów radioaktywnych. Podczas gdy część radioaktywnego trytu może gromadzić się w elementach reaktora, jego średni okres rozpadu wynosi około 12 lat. Ponadto neutrony generowane podczas reakcji fuzji mogą aktywować materiały konstrukcyjne reaktora, ale wszystkie te elementy będą nadawały się do utylizacji w ciągu 100 lat, co jest znaczną przewagą nad konwencjonalną energią jądrową” – podkreślił ekspert IFPiLM.
Dodała, że jedną z głównych zalet fuzji jądrowej jest jej bezpieczeństwo. „W plazmie reaktora znajduje się tylko minimalna ilość paliwa, a wszelkie niekontrolowane zmiany, takie jak przegrzanie lub nadmierne nasycenie paliwem, doprowadzą do natychmiastowego spontanicznego zakończenia reakcji. Dzięki temu nie ma ryzyka katastrof na skalę Czarnobyla czy Fukushimy. Ponadto obszerne badania wykazały, że żadna awaria elektrowni termojądrowej nie będzie wymagała ewakuacji osób z jej otoczenia, co dodatkowo potwierdza bezpieczeństwo tej technologii” — zauważyła prof. Chomiczewska.
Dr hab. Agata Chomiczewska jest profesorem w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) w Warszawie i kieruje Zakładem Badań Plazmy Termojądrowej oraz Laboratorium Badań Plazmy z Metodami Spektroskopowymi w IFPiLM. Od 2014 roku pełni funkcję krajowego koordynatora ds. badań nad europejskimi eksperymentalnymi tokamakami termojądrowymi zlokalizowanymi w Wielkiej Brytanii, Szwajcarii, Francji, Niemczech i Japonii. Była częścią międzynarodowego zespołu, który niedawno ustanowił rekord energetyczny podczas eksperymentów na największym na świecie tokamaku, JET, w Wielkiej Brytanii.
Marek Matacz (PAP)
Nauka w
Źródło
