Naukowcy z konsorcjum EUROfusion ogłosili wyniki naukowe rekordowej kampanii eksperymentalnej przeprowadzonej w 2021 r. na największym na świecie tokamaku JET (Joint European Torus), który znajduje się w Wielkiej Brytanii. Wyniki badań obejmują pierwsze obserwacje procesu zwanego grzaniem cząstkami alfa, który umożliwia utrzymanie wysokiej temperatury paliwa w procesie fuzji.
W 2021 r. naukowcy z konsorcjum EUROfusion, w tym także polscy naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) w Warszawie, przeprowadzili specjalną kampanię eksperymentalną na tokamaku JET, aby zbadać ekstremalne warunki, jakie będą występowały w tokamaku ITER, reaktorze badawczym zlokalizowanym na południu Francji, oraz w przyszłych elektrowniach termojądrowych. Tokamak to urządzenie w kształcie pierścienia używane do utrzymania gorącej plazmy, czyli zjonizowanego i wysokoenergetycznego gazu.Celem jest symulacja procesów zachodzących w gwiazdach.Naukowcom udało się osiągnąć odpowiednie warunki, w tym temperaturę wynoszącą 150 milionów stopni Celsjusza wewnątrz plazmy zawieszonej w polu magnetycznym urządzenia. Tak wysoka temperatura jest wymagana, żeby zrekompensować osiąganie dużo niższego ciśnienia niż to występujące we wnętrzu Słońca.
– Jednym z naszych najbardziej efektownych wyników jest pierwsza dokładna obserwacja paliwa termojądrowego utrzymującego swoją temperaturę poprzez ogrzewanie cząstkami alfa. Jest to proces, w którym wysokoenergetyczne jony helu (cząstki alfa) powstające w reakcji syntezy jądrowej przekazują swoją energię do otaczającej mieszanki paliwowej, aby utrzymać proces fuzji – mówi Costanza Maggi, członek UKAEA i były lider Task Force JET. – Badanie tego procesu w realistycznych warunkach ma kluczowe znaczenie dla rozwoju elektrowni termojądrowych – dodaje.
Ujarzmiona plazma
Eksperymenty potwierdziły przewidywania zawarte w zaawansowanych modelach komputerowych dotyczących transportu ciepła w plazmie, które mają kluczowe znaczenie dla ekstrapolacji wyników z bieżących układów eksperymentalnych na większe przyszłe urządzenia, takie jak ITER i DEMO. Zweryfikowana została również technika grzania plazmy zaplanowana dla projektu ITER, w celu zdeponowania ciepła zewnętrznego dokładnie tam, gdzie jest to potrzebne. Demonstracja ta daje pewność co do możliwości realizacji projektu i planowanego działania międzynarodowego przedsięwzięcia termojądrowego.
Kolejne istotne dane obejmują techniki kontroli mające na celu ochronę ścian urządzeń fuzyjnych, techniki nagrzewania oraz sposoby odzyskiwania paliwa termojądrowego wchłoniętego przez ściany reaktora. Dywertor jest jedyną częścią tokamaka, która wchodzi w bezpośredni kontakt z gorącym paliwem i musi wytrzymać bardziej intensywne warunki niż statki kosmiczne ponownie wchodzące w atmosferę ziemską. Mimo to udało się dokonać demonstracji techniki odprowadzania ciepła, chroniącej ściany tokamaka. Co najważniejsze wykonano również pomyślne testy metod odzyskiwania paliwa trytowego, które zostało wchłonięte przez wewnętrzną metalową ścianę tokamaka. Efektywne odzyskiwanie trytu ma kluczowe znaczenie dla eksploatacji i wycofania urządzeń termojądrowych po zakończeniu ich użytkowania. Do tej pory była to ogromna wątpliwość w kwestii uwzględnienia technologii opartej na fuzji jądrowej w wizji energetyki przyszłości.
Rekordowe osiągnięcie
Tokamak JET to jedyne urządzenie, w którym powstaje duża liczba reakcji termojądrowych, ze względu na unikalną zdolność do pracy z mieszanką paliwową deuter-tryt (D-T). Jest to wysokowydajna mieszanina dwóch izotopów wodoru wykorzystywana do produkcji energii termojądrowej, która będzie stosowana także w międzynarodowym projekcie ITER i przyszłej europejskiej demonstracyjnej elektrowni termojądrowej DEMO. Podczas drugiej eksperymentalnej kampanii deuterowo-trytowej (DTE2) na JET w 2021 r. ustanowiono światowy rekord wynoszący 59 megadżuli w zakresie największej ilości ciepła termojądrowego wytworzonego w jednym strzale, co po ogłoszeniu w lutym 2022 r. spotkało się z dużym zainteresowaniem opinii publicznej.
40 lat nauki o fuzji
JET to największe i odnoszące znaczące sukcesy urządzenie do przeprowadzania kontrolowanych reakcji termojądrowych na świecie oraz centralny ośrodek badawczy europejskiego programu fuzji jądrowej. JET ma swoją siedzibę na terenie kampusu UKAEA w Culham w Wielkiej Brytanii i korzysta z niego ponad 31 europejskich laboratoriów – zarządzanych przez konsorcjum EUROfusion współfinansowane przez Komisję Europejską – wśród nich eksperci, studenci oraz pracownicy z całej Europy. W niedzielę 25 czerwca br. badacze zajmujący się syntezą jądrową w Europie i na świecie świętowali 40. rocznicę pierwszej wyprodukowanej na JET plazmy. Od momentu powstania w 1983 r. tokamak JET inicjuje przełomowe osiągnięcia i próby odnalezienia bezpiecznych, niskoemisyjnych i zrównoważonych rozwiązań w zakresie energetyki termojądrowej, aby sprostać przyszłemu zapotrzebowaniu świata w energię. W trakcie swojego istnienia JET dostarczył kluczowych informacji na temat złożonej mechaniki fuzji, umożliwiając naukowcom zaplanowanie międzynarodowego eksperymentu termojądrowego ITER i demonstracyjnej elektrowni termojądrowej DEMO projektowanej obecnie przez europejską społeczność zajmującą się syntezą jądrową. Naukowcy są przekonani, że otrzymane wyniki będą kluczowe dla przyszłego funkcjonowania eksperymentalnych reaktorów termojądrowych, takich jak ITER i pokazują potencjał fuzji jądrowej jako przyszłego źródła energii.
Oprac. WZ
