Fizycy z Europy, w tym - z Polski, zakończyli serię eksperymentów z użyciem deuteru i trytu w urządzeniu fuzyjnym Joint European Torus (JET) w Wielkiej Brytanii. W ramach tych prac zbadali procesy syntezy jądrowej i techniki kontroli w warunkach podobnych do tych, jakie będą panowały w przyszłych elektrowniach termojądrowych.

Tokamak JET (Joint European Torus) to eksperymentalny reaktor termojądrowy w kształcie torusa, zlokalizowany w Culham Centre for Fusion Energy w Oxfordshire w Wielkiej Brytanii. Obiekt wykorzystuje pola magnetyczne do utrzymywania gorącego, zjonizowanego gazu (plazmy) z dala od wewnętrznych ścian zbiornika, umożliwiając bezpieczną pracę w temperaturze 150 milionów stopni Celsjusza - dziesięciokrotnie wyższej niż temperatura w jądrze Słońca.

Reaktor JET rozpoczął pracę w 1983 roku jako wspólny projekt europejski. Z czasem został poddany kilku ulepszeniom, które miały poprawić jego wydajność. W 1991 roku JET stał się pierwszym na świecie reaktorem wykorzystującym mieszankę trytu i deuteru w proporcji pół na pół. Obiekt ustanowił liczne rekordy w badaniach nad fuzją jądrową, w tym rekordową plazmę Q (stosunek wytworzonej mocy fuzji jądrowej do mocy zewnętrznej włożonej w podgrzanie plazmy) wynoszącą 0,64 w 1997 roku oraz rekordową moc energii z fuzji jądrowej wynoszącą 59 megadżuli w pięciosekundowym impulsie w grudniu 2021 roku. Tokamak zbudowany przez państwa europejskie i używany przez cały okres eksploatacji wspólnie przez europejskich naukowców stał się własnością UKAEA w październiku 2021 roku, w czerwcu bieżącego roku obchodził 40. rocznicę uzyskania pierwszej plazmy, a zakończenie działalności urządzenia jest zaplanowane na koniec 2023 roku.

Kampanię eksperymentalną w tokamaku JET przeprowadziło ponad 300 naukowców z europejskich ośrodków badawczych należących do konsorcjum EUROfusion oraz pracowników inżynieryjnych i naukowo-technicznych z United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA). W kampanii brała udział m.in. grupa polskich naukowców z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) w Warszawie.

Obecnie JET jest jedynym urządzeniem, w którym można przeprowadzać dużą liczbę reakcji termojądrowych. Wykorzystywana tam obecnie wysokowydajna mieszanka paliwowa deuter-tryt (D-T) w przyszłości będzie stosowana w elektrowniach termojądrowych. Celem zakończonej kampanii eksperymentalnej było rozwijanie technologii i metodologii niezbędnych dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

Większość eksperymentalnych urządzeń fuzyjnych wykorzystuje wodór lub sam deuter. Natomiast testowanie mieszanki deuteru i trytu pozwala jak najbardziej zbliżyć się do warunków panujących w prawdziwej elektrowni termojądrowej - wyjaśniono w komunikacie IFPiLM.

"Eksperymenty w JET zoptymalizowały reakcje fuzji deuteru i trytu oraz przyczyniły się do opracowania technik zarządzania zatrzymywaniem paliwa, odprowadzaniem ciepła i ewolucją materiałów. Dzięki temu uzyskano informacje, które są kluczowe dla projektowania i działania przyszłych reaktorów, takich jak międzynarodowy eksperymentalny reaktor badawczy zlokalizowany na południu Francji – ITER, demonstracyjna elektrownia termojądrowa DEMO, a także dla wszystkich innych badań prowadzonych na całym świecie na rzecz rozwoju elektrowni termojądrowych" - relacjonują naukowcy.

Wyjaśniając znaczenie kampanii eksperymentalnej, naukowcy mówią o łączeniu przeszłości i przyszłości w badaniach nad syntezą jądrową. "Kampania oparta na eksperymentach przeprowadzonych pod koniec 2021 roku pogłębiła naszą wiedzę na temat plazmy deuterowo-trytowej. Spostrzeżenia uzyskane w ramach tej kampanii na temat optymalizacji reakcji syntezy jądrowej i opracowania nowatorskich strategii operacyjnych łączą wiedzę z przeszłości z przyszłymi zastosowaniami w technologii fuzji jądrowej" - poinformowano w materiale prasowym.

Naukowcy przetestowali nowe koncepcje opracowane na mniejszych europejskich tokamakach początkowo z deuterem, a następnie z mieszanką paliwa deuterowo-trytowego. Badania te są ważne dla zrozumienia, w jaki sposób procesy obserwowane na mniejszych urządzeniach będą dostosowane do większych przyszłych projektów syntezy jądrowej.

Jak podkreślono, kampania oznacza postępy w pracy z paliwem trytowym. "Naukowcy z JET poczynili znaczące postępy, stosując tryt jako składnik paliwa poprzez wprowadzenie nowatorskich technologii monitorowania i czyszczenia, w tym laserowych metod diagnostycznych takich jak LID-QMS (desorpcja indukowana laserem – kwadrupolowa spektrometria mas). Innowacje te mają kluczowe znaczenie dla przyszłego funkcjonowania tokamaka ITER, gdyż zapewniają dokładny monitoring zużycia trytu i zwiększają bezpieczeństwo funkcjonowania urządzenia" - informuje konsorcjum EUROfusion. - "Głównym sukcesem kampanii DTE3 była zdolność do odtworzenia eksperymentów związanych z wysoką energią termojądrową z drugiej kampanii eksperymentalnej dotyczącej deuteru i trytu (DTE2) z 2021 roku. Osiągnięcie to wskazuje na niezawodność i gotowość metod operacyjnych JET, które są niezbędne dla przyszłego sukcesu projektu ITER".

Kampania obejmowała testowanie różnych scenariuszy operacyjnych w celu efektywnego zarządzania ciepłem odprowadzanym z gorącego, zjonizowanego paliwa gazowego (plazmy). Naukowcy skupili się na rozproszeniu energii na krawędzi plazmy - przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiego poziomu energii w rdzeniu plazmy, co stanowi równowagę krytyczną dla wykonalności reaktora. Obejmowało to minimalizację lub wyeliminowanie wybuchów energii wynikających z niestabilności krawędzi plazmy oraz wdrożenie innowacyjnych technik zarządzania obciążeniem cieplnym, takich jak odprowadzenie gazu zanieczyszczającego kontrolowane ze sprzężeniem zwrotnym w celu utworzenia strefy radiacyjnej zlokalizowanej wokół punktu X. Ponadto zespół zademonstrował kontrolę mieszanki paliwowej D-T w czasie rzeczywistym poprzez wtryskiwanie gazu i zamrożonych granulek deuteru, co jest kluczową metodą kontrolowania reakcji termojądrowych. Postępy te mają kluczowe znaczenie dla pomyślnego funkcjonowania przyszłych reaktorów termojądrowych.

Autorzy prac mówią też o pogłębianiu wiedzy na temat efektów neutronów wysokoenergetycznych. "Koncentrując się na wpływie powstałych w wyniku syntezy jądrowej neutronów o energii 14,1 MeV, które przenoszą energię z reakcji termojądrowych z plazmy, kampania zapewniła wgląd w ich wpływ na systemy chłodzenia i elektronikę, przy czym ta ostatnia działa we współpracy z CERN-em. Wiedza ta jest niezbędna do projektowania bezpiecznych i bardziej wydajnych przyszłych reaktorów termojądrowych" - przekazali.

Uczestniczący w pracach z JET polski Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy reprezentuje polskie środowisko naukowo-badawcze w projekcie konsorcjum EUROfusion i koordynuje badania fuzyjne w Polsce. W tym celu powołane zostało Centrum naukowo-przemysłowe Nowe Technologie Energetyczne (CeNTE), skupiające potencjał badawczy ponad 20 krajowych podmiotów, do których należą: instytuty badawcze, uczelnie, instytuty PAN oraz firmy przemysłowe. 

zan/