Od razu trzeba zaznaczyć jedną rzecz. Kolejne rekordy uzyskiwane w różnych reaktorach fuzyjnych nie oznaczają, że energia fuzji będzie dla nas dostępna w najbliższym czasie. Nim opanujemy tę technologię i zbudujemy odpowiednie elektrownie, miną co najmniej dziesięciolecia. 

Jednak każdy następny eksperyment to krok dalej na tej drodze. O najnowszym sukcesie poinformowali właśnie naukowcy z amerykańskiego ośrodka Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Pracowali oni z francuskim tokamakiem WEST, znajdującym się w centrum badawczym Cadarache w Prowansji. Udało im się osiągnąć przełom: utrzymali w urządzeniu plazmę o temperaturze 50 mln st. C przez sześć minut.

Oczywiście daleko stąd do ostatecznego celu, czyli utrzymania plazmy w takiej temperaturze godzinami. Jednak i tak osiągnięcie naukowców z PPPL jest rekordem dla tokamaków takich jak WEST.

Po co nam fuzja jądrowa?

Nasza najbliższa gwiazda – Słońce – stanowi niemal nieograniczone źródło docierającej do nas energii. Swoje moce „energotwórcze” Słońce zawdzięcza zachodzącej w jego wnętrzu fuzji jądrowej. W tym procesie atomy wodoru łączą się w cięższy pierwiastek, hel. Przy okazji wydzielana jest ogromna ilość energii (większa niż w procesie rozpadu jądrowego). 

O jakich rzędach wielkości mowa? Szacuje się, że kilogram paliwa fuzyjnego (w warunkach ziemskich najczęściej to mieszanka izotopów wodoru – deuteru i trytu) generuje aż 4 mln razy więcej energii niż kilogram paliwa kopalnego. Co ważne, w procesie tym nie są emitowane żadne gazy cieplarniane. Nic dziwnego, iż powszechnie uznaje się fuzję jądrową za potencjalne źródło nieograniczonej czystej energii.

Jednak jego opanowanie to ciąg wyzwań. – To, co staramy się osiągnąć, to stworzyć Słońce na Ziemi – mówi „Business Insiderowi” Luis Delgado-Aparicio, szef zaawansowanych projektów w PPPL. – Jednak jest to ekstremalnie, ekstremalnie trudne.

Wyzwania fuzji jądrowej

Jakie trudności muszą pokonać badacze? Po pierwsze, muszą uzyskać w tokamakach wyższą temperaturę niż we wnętrzu Słońca (gdzie jest ok. 15 mln st. C). To zrównoważy niższe ciśnienie, w którym będzie zachodzić fuzja. Po drugie, muszą nauczyć się podtrzymywać reakcję syntezy jąder atomowych. Nie jest to łatwe, gdyż wygasa ona szybko – zwłaszcza, gdy dochodzi do zanieczyszczeń mieszanki paliwowej. 

Jednak czas trwania fuzji jest kluczowy. Tylko gdy proces ten będzie trwał wystarczająco długo, powstanie więcej energii niż jest niezbędne do wyjściowego podgrzania plazmy do gigantycznych temperatur.

Na razie wytworzenie nadwyżki energii jeszcze się nie udało. WEST tego nie zmienił, jednak uzyskane wyniki są obiecujące. W rekordowej próbie udało się uzyskać o 15 proc. więcej energii niż we wcześniejszych podejściach. Jednak i tak było to mniej niż prąd zużyty na początku przez tokamak.

Przez WEST do ITER

Tokamaki to reaktory fuzyjne w kształcie obwarzanka z dziurą w środku. Plazma wewnątrz utrzymywana jest na miejscu dzięki bardzo silnemu polu magnetycznemu. Jedną z kluczowych kwestii konstrukcyjnych w przypadku tokamaków jest materiał, z którego zbudowane są jego ściany.

Ściany WEST oryginalnie składały się z węgla. Co prawda łatwo było z nim pracować, jednak węgiel pochłaniał tryt, jeden ze składników mieszanki paliwowej. Tym samym działał jak gąbka absorbująca paliwo napędzające fuzję. W 2012 r. węglowe ściany zastąpiono konstrukcjami z wolframu. 

Niestety, wolfram też nie jest idealny. Pod wpływem ekstremalnych temperatur topi się i zanieczyszcza plazmę. To zaś ochładza ją i wyhamowuje syntezę jądrową. A ponieważ z wolframu będą również zbudowane najważniejsze części ITER – największego eksperymentalnego reaktora powstającego na południu Francji – wszelkie eksperymenty z mniejszymi tokamakami są ważnymi poligonami testowymi. Wyniki posłużą fizykom plazmy w przyszłości.

Jak opanować plazmę 

Przy okazji pracy z WEST naukowcy z PPPL usprawnili narzędzie diagnostyczne monitorujące plazmę. To pozwala im dokładnie mierzyć jej temperaturę. A także śledzić niekorzystne przemieszczenie się wolframu ze ścian. – Teraz rozumiemy, jak należy zająć się kwestią ochładzania się [plazmy - przyp. red.] – mówi Delgado-Aparicio. – To doświadczenie zostanie bezpośrednio przeniesione do działającego obok ITER – dodaje.

To niejedyny rekord związany z tokamakiem składającym się z wolframu. Na początku kwietnia tego roku naukowcy pracujący przy koreańskim tokamaku KSTAR ogłosili, że utrzymali wewnątrz plazmę o temperaturze 100 mln st. C aż przez 48 sekund. Sukces zawdzięczali m.in. zastąpieniu pewnych podzespołów węglowych odpowiednikami zbudowanymi z wolframu.


Źródła: Phys.org, Business Insider.