Naukowcy należący do konsorcjum EUROfusion, w tym zespół z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie, osiągnęli rekordowy wynik uzyskanej energii z reakcji syntezy jądrowej w tokamaku JET zlokalizowanym w Wielkiej Brytanii. To fundamentalny krok naprzód w dążeniu do zrozumienia i opanowania fuzji jądrowej jako źródła energii, które będzie zarazem bezpieczne, uzasadnione ekonomiczne i ekologiczne.
Jak daleko posunęliśmy się w rozwoju tej technologii na przestrzeni ostatnich lat?
Ujarzmienie fuzji jądrowej jest potencjalną ścieżkę do wytwarzania czystej, ekonomicznie opłacalnej i, z naszej perspektywy, praktycznie niewyczerpalnej energii. Wyzwanie polega na odtworzeniu tego procesu na Ziemi. W środowisku akademickim fuzja często jest określana jako „Święty Graal” współczesnej nauki ze względu na jej potencjał rewolucyjnych zmian, porównywalnych z rewolucją przemysłową, jaka nastąpiła po odkryciu elektryczności. Jednakże, osiągnięcie samowystarczalnej reakcji fuzji na Ziemi pozostaje wciąż przedmiotem intensywnych badań i eksperymentów, pomimo rosnącego zainteresowania i początkowych sukcesów w tej dziedzinie, daleko nam jeszcze do wprowadzenia tej technologii do powszechnego użytku
Najnowsze filmy
O fuzji jądrowej mówi się teraz naprawdę dużo, ale jak w najprostszy sposób wyjaśnić czym jest to zjawisko?
Fuzja jądrowa, polega na tym, że pod wpływem bardzo wysokiej temperatury w gwieździe lub w odpowiednim urządzeniu na Ziemi, lżejsze jądra atomów takich jak na przykład wodór, tryt czy deuter łączą się w cięższe jądro helu, a efektem tej reakcji jest wytwarzanie energii.
Oprócz ekstremalnie wysokich temperatur do utrzymania fuzji potrzeba równie potężnego i co najważniejsze, stabilnego pola magnetycznego. Reaktor musi być w stanie utrzymać temperaturę, której nadmiar zostałby następnie przetworzony na energię elektryczną. Gdyby taki proces udało się odtworzyć, mielibyśmy do czynienia z praktycznie nieskończoną energią mogącą zasilić miliony gospodarstw domowych. Poza tym jest to proces przyjazny środowisku, ponieważ nie powstają w nim szkodliwe produkty uboczne, takie jak dwutlenek węgla lub odpady radioaktywne. Według wielu naukowców to właśnie fuzja, a nie odnawialne źródła będą przyszłością energetyki. Oczywiście gdyby było to takie proste… Fizycy, inżynierowie i całe zastępy naukowców od dziesiątek lat próbują rozpracować ten mechanizm, jednak cały czas problemem jest osiągnięcie reakcji o dodatnim bilansie czyli takiej, która konsumowała by mniej energii niż jej produkowała.
Jak nasze Słońce korzysta z fuzji jądrowej?
W największym możliwym uproszczeniu – cztery jądra najlżejszego pierwiastka, czyli wodoru, łączą się tworząc jedno jądro cięższego pierwiastka, czyli helu, a “efektem ubocznym” całego tego procesu jest uwolnienie ogromnej ilości energii jądrowej. Jest to główny mechanizm zasilający Słońce i jemu podobnych gwiazd. Nazywamy to cyklem protonowym, cyklem proton-proton lub po prostu cyklem PP.
W skali całego Wszechświata, Słońce nie wyróżnia się zbyt szczególnie. Istnieją całe biliony gwiazd większych, cięższych i o znacznie wyższych temperaturach. Skład chemiczny takich gwiazd potrafi się znacząco różnić, zawierają one więcej pierwiastków cięższych od wodoru. W takich przypadkach zachodzić muszą więc inne mechanizmy generujące energię. Jest to tak zwany cykl CNO czyli cykl węglowo-azotowo-tlenowy. W tym przypadku hel może powstawać, nie tylko przy udziale wodoru, tak jak ma to miejsce w cyklu protonowym, a przy udziale tych właśnie trzech pierwiastków – węgla, azotu i tlen, które odgrywają w tym przypadku role katalizatorów.
Patronite
Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!Można więc powiedzieć, że Słońce i inne gwiazdy to nic innego niż naturalne reaktory termojądrowe, a to nad czym od kilkudziesięciu już lat pracują naukowcy z całego świata, to tak zwana kontrolowana synteza termojądrowa. Czyli reakcja, która przebiega w specjalnie zaprojektowanym urządzeniu i jest od początku do końca pod ścisłą kontrolą, a jej głównym celem jest oczywiście pozyskiwanie energii. Póki co, poza bombami termojądrowymi, tego typu reakcje potrafimy wywołać jedynie w bardzo skomplikowanych urządzeniach – w stellaratorach oraz tokamakach.
Kampania eksperymentalna w tokamaku JET, która odbyła się w ubiegłym roku, była pierwszym od niemal ćwierć wieku eksperymentem termojądrowym, wykorzystującym wysokowydajną mieszankę paliwową deuteru i trytu. Dla naukowców z EUROfusion była to kluczowa okazja do przetestowania opracowanych modeli komputerowych, nowych metod diagnostycznych i technik kontroli plazmy, które zostały opracowane z myślą o projekcie ITER, o którym później. Umożliwiło to dokładne mierzenie wyników eksperymentów w ułamkach sekundy, dostarczając ogromną ilość danych.
W roku tysiąc dziewięćset dziewięćdziesiątym siódmym JET ustanowił światowy rekord w dziedzinie syntezy jądrowej, generując plazmę, która przez pięć sekund wytwarzała około cztery i pół megawata mocy z fuzji, co łącznie dało dwadzieścia dwa megadżule energii całkowitej wyprodukowanej energii. JET ustanowił również rekord szczytowej mocy szesnastu megawatów utrzymywanej przez piętnaście setnych sekundy.
Teraz naukowcy z konsorcjum EUROfusion poinformowali o wynikach niedawno zakończonych eksperymentów wykorzystujących pełny potencjał JET do uzyskania rekordowych pięćdziesięciu dziewięciu megadżuli energii z syntezy jądrowej. Jak stwierdził Tony Donne dyrektor EUROfusion – „To osiągnięcie jest efektem wieloletnich przygotowań zespołu naukowców z całej Europy. Sam rekord, a przede wszystkim zdobyta wiedza na temat fuzji w tych specyficznych warunkach, potwierdza, że obraliśmy właściwą ścieżkę. Jeśli jesteśmy w stanie kontrolować fuzję przez pięć sekund, możemy to robić przez pięć minut, a później przez pięć dni, stopniowo zwiększając skalę działania urządzeń w przyszłości.”
Rekordowe reakcje syntezy jądrowej w tokamaku JET uwolniły łącznie pięćdziesiąt dziewięć megadżuli energii w formie ciepła podczas pięciosekundowego impulsu plazmy. Niestety czas trwania eksperymentu był ograniczony przez system chłodzenia magnesów zamontowanych w tym tokamaku, otóż mogą one wytrzymać tak wysokie obciążenie cieplne tylko przez pięć sekund. ITER, który będzie następcą JET, zostanie wyposażony w magnesy nadprzewodzące chłodzone kriogenicznie, które nie podlegają takim ograniczeniom termicznym i jak twierdzą naukowcy będą w stanie utrzymać wymagane pole magnetyczne przez nieograniczony czas.
Przełomowe wyniki uzyskane przez JET, potwierdzają potencjał reakcji syntezy jądrowej do dostarczania bezpiecznej, ekonomicznej i zrównoważonej energii. Rezultaty te będą miały bardzo istotny wpływ na optymalne przygotowanie do uruchomienia międzynarodowego projektu ITER czyli International Thermonuclear Experimental Reactor. Znajdujący się we Francji Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny, będący jeszcze w budowie stanie się już prawdopodobnie w przyszłym roku największym tokamakiem na świecie.
Mimo że droga do komercjalizacji fuzji termojądrowej jest jeszcze długa, postępy w eksperymentach tokamaków i rozwój nowych technologii materiałowych napawają pewnym optymizmem. Sukces w tych badaniach może oznaczać rewolucję w sposobie, w jaki ludzkość pozyskuje energię, oferując czyste, bezpieczne i praktycznie niewyczerpalne źródło mocy, które może zaspokoić rosnące globalne zapotrzebowanie na energię i znacząco przyczynić się do walki ze zmianami klimatycznymi.
W perspektywie długoterminowej, fuzja termojądrowa ma potencjał, aby całkowicie zmienić energetykę na całym świecie. Nie tylko zmniejszyłaby zależność od paliw kopalnych i ich negatywny wpływ na środowisko, ale także mogłaby zapewnić klucz do zrównoważonego rozwoju przemysłowego, zapewniając energię dla przyszłych pokoleń nie poświecając w tym celu zdrowia i równowagi w środowisku naturalnym
Dzięki współpracy międzynarodowej, innowacjom technologicznym i nieustannym wysiłkom naukowców, cel osiągnięcia kontrolowanej fuzji termojądrowej staje się coraz bardziej realny. Pomimo istniejących wyzwań, potencjał fuzji jako źródła czystej, bezpiecznej i niewyczerpalnej energii jest zbyt wielki, aby go zignorować. Prace nad tokamakami, takimi jak JET i ITER, oraz rozwój nowych materiałów i technologii wydają się być niezbędne dla przyszłości naszej cywilizacji. A co wy myślicie na ten temat? Czy te technologie warte są inwestowania ogromnych środków finansowych i dziesięcioleci wysiłku naukowców z całego świata? A może lepiej skupić się bardziej na odnawialnych źródłach energii?
