Jak schłodzić słońce, czyli wyzwania fuzji jądrowej

Już kilka razy na tych łamach starałam się nieco powiedzieć o nowych pomysłach na realizację wielkiego marzenia współczesnej ludzkości, a mianowicie ekonomicznie opłacalnego i bezpiecznego, a także realnie KONTROLOWANEGO wytwarzania energii tu na Ziemi tak, jak ona powstaje na Słońcu. Czyli w wyniku reakcji termojądrowych. By, ujmując to najprościej, z dwóch wodorów powstawał jeden hel oraz energia (czysta i bezemisyjna), trzeba postawić tokamak – miejsce, gdzie buzuje plazma i zachodzą owe energodajne syntezy jąder lekkich. I wszystko byłoby pięknie, no ale ta plazma gorąca musi być utrzymywana w znacznej homogenności, a to znaczy, że trzeba ja wydajnie chłodzić, by ograniczyć niebezpieczeństwo przegrzania i zniszczenia tokamaku.

Chłodzenie - technologiczna bariera

Liczni badacze wspomnianej europejskiej inicjatywy, reprezentujący szwajcarską École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), niemiecki Max Planck Institute for Plasma Physics i brytyjską United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA) próbowali rozgryźć właśnie problem chłodzenia urządzenia, które daje się nazwać sztucznym słoneczkiem.

Tokamaki, czyli reaktory fuzyjne, wykorzystują pole magnetyczne w kształcie pierścienia (niech będzie, że oponki, czyli pączka z dziurką) do objęcia (ograniczenia) i jednoczesnego ogrzewania plazmy (tj. supergorącego, naładowanego elektrycznie gazu) przez czas niezbędny do zajścia reakcji fuzji jądrowej. Tokamaki są bardzo wydajnymi urządzeniami i nie jest problemem przetwarzanie powstającej w nich energii na energię elektryczną. Technologiczną barierę stanowi właśnie chłodzenie – i zapewnianie bezpieczeństwa, pełnej kontroli nad tym procesem. Plazma bowiem może oddziaływać ze ścianami tokamaka, co w sposób oczywisty będzie je z czasem uszkadzać i wpływać na ich wydajność.

Eksperymentalne słoneczko działa m.in. na wspomnianej wyżej politechnice w Lozannie, co pozwoliło pracującym tam uczonym odkryć nową formę promieniowania plazmowego, która może zapobiegać przegrzewaniu się tokamaków, umożliwiając im oddawanie nadmiaru ciepła, a tym samym potencjalnie zwiększając ich wydajność w czasie. Wszystko, co nowe, musi zostać nazwane, zatem od momentu publikacji w „Phys. Rev.Lett.” należy rzecz całą określać mianem radiatora docelowego punktu X (XPTR). Jak opisują to sami autorzy, chodzi o silnie promieniujący punkt magnetyczny 𝑋 i wytwarzanie wtórnego punktu 𝑋 umieszczonego daleko od ograniczonej przez pole magnetyczne plazmy.

Punkt X to miejsce, w którym linie pola magnetycznego przebiegają czysto toroidalnie, co jest kluczowe w kształtowaniu plazmy i odprowadzaniu ciepła od rdzenia przez wąski lejek magnetyczny znany jako „diwertor”. Diwertor jest częścią tokamaka. To urządzenie oczyszczające plazmę z domieszek , czyli niepożądanych jonów. Zbudowane jest z soczewek magnetycznych (soczewki optyczne, które znamy z okularów, lunet i teleskopów działają podobnie, ale na fale elektromagnetyczne o długości w zakresie światła widzialnego). Do wychwytywania tych, na ogół ciężkich, jonów przez diwertor dochodzi na krawędzi sznura plazmy, tak, by dało się je odprowadzić poza urządzenie.

Radiatory punktu X to warunki pracy plazmy, które przekształcają dużą część ciepła plazmy w jednorodne promieniowanie w pobliżu punktu X. Radiator punktu X, wg autorów eksperymentów „rozprasza energię plazmy w pobliżu punktu X, ale skalowalność jest niepewna ze względu na jego bliskość do rdzenia”. Trzeba było wytworzyć wtórny punkt X wzdłuż kanału diwertora „w celu poszerzenia zakresu operacyjnego i utrzymania ograniczenia plazmy w rdzeniu magnetycznym”.

W stronę skalowalności

Rzecz cała jest poważna i potencjalnie przyspiesza skalowalność projektów reaktorów termojądrowych, bo jak powiedział portalowi phys.org pierwszy autor publikacji naukowej, Kenneth Lee: „zmniejszenie obciążeń cieplnych diwertora jest kluczowym wyzwaniem dla przyszłych elektrowni fuzyjnych”.

Jak opisują to autorzy: „Wykorzystujemy unikalną elastyczność kształtowania magnetycznego tokamaka TCV, aby wprowadzić wtórny punkt X . Odkryliśmy zlokalizowane promieniowanie (XPTR) daleko od rdzenia plazmy, co zachowuje wydajność rdzenia, a jednocześnie znacznie zmniejsza obciążenia cieplne diwertora”. Ta niekonwencjonalna konfiguracja już w początkowych testach okazała się bardzo skuteczna w usuwaniu nadmiaru ciepła z plazmy ograniczonej magentycznie. Co więcej, okazało się metodami obliczeniowymi, że takie rozwiązanie jest stabilne, skalowalne i może być utrzymywane „w szerokim zakresie warunków operacyjnych”. Czyli prosto rzekłszy, będzie działać w różnie zaprojektowanych tokamakach i przy rozmaitych diwertorach.

Obecna faza eksperymentów jest tez prowadzona in silico, by jak zapewniają autorzy pracy, móc zobaczyć, jak to będzie działać w przypadku dużych mocy. Oraz zrozumieć dogłębnie zjawiska fizyczne związane z działaniem radiatora docelowego punktu X.

Potencjalnie oferuje to „znacznie bardziej niezawodną metodę radzenia sobie z wyziewami mocy w elektrowni fuzyjnej”, nie dziwi zatem, że ta europejska w swym pochodzeniu koncepcja ma zostać niebawem wdrożona w urządzeniach nowej generacji, które są opracowywane przez Commonwealth Fusion Systems we współpracy z amerykańskim Massachusetts Institute of Technology (MIT).Ten tokamak nowej generacji (SPARC) włącza już dziś opisany co do zasady na łamach „Phys. Rev. Lett” XPTR do swojego projektu bazowego.

Nie jestem fizykiem specjalizującym się w funkcjonowaniu plazmy w polu magnetycznym, ale czytając związane z tym opracowaniem doniesienia naukowe wydaje mi się, że sztuka tu polegała na wyjściu z zamkniętego kręgu – a niech będzie pierścienia czy pączka z dziurką – w którym obracało się myślenie o tym, jak chłodzić sztuczne słoneczko, skoro ewidentnie nie da się tego zrobić w samym jego środku.