Konsorcjum EUROfusion ogłosiło pomyślne zakończenie trzeciej i ostatniej kampanii eksperymentalnej z użyciem deuteru i trytu (DTE3) w urządzeniu fuzyjnym JET (Joint European Torus), które znajduje się w Wielkiej Brytanii. W ramach eksperymentów zbadano procesy syntezy jądrowej i techniki kontroli w warunkach podobnych do tych, jakie będą panowały w przyszłych elektrowniach termojądrowych, co stanowi ważny krok naprzód w prowadzonych badaniach.

Kampania eksperymentalna w tokamaku JET została przeprowadzona przez 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 także grupa polskich naukowców z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) w Warszawie.

Tokamak JET jest obecnie jedynym urządzeniem, które może wytwarzać duże ilości reakcji termojądrowych ze względu na swoją unikalną zdolność do pracy z mieszanką paliwową deuter-tryt (D-T). Jest to wysokowydajna mieszanka paliwowa, która będzie stosowana w przyszłych elektrowniach termojądrowych. Podczas gdy większość eksperymentalnych urządzeń fuzyjnych wykorzystuje wodór lub sam deuter, testowanie mieszanki deuteru i trytu jest niezbędne, aby jak najbardziej zbliżyć się do warunków panujących w prawdziwej elektrowni termojądrowej.

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.

Tony Donné, manager programu EUROfusion (CEO), podkreśla: "Eksperymenty w JET są świadectwem ducha współpracy i innowacji w społeczności EUROfusion, torując drogę dla następnej generacji badań i technologii w zakresie syntezy jądrowej".

Kampania eksperymentalna w JET z udziałem ośrodków naukowych skupionych wokół EUROfusion podkreśla kluczową rolę Europy w rozwoju badań nad fuzją jądrową i uwydatnia jej wiodącą rolę w globalnym dążeniu do czystej, zrównoważonej energii. Kampania DTE3 stanowi znaczący krok naprzód w rozwoju technologii i metodologii niezbędnych dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

Widok hali z tokamakiem JET. Credit: UKAEA courtesy of EUROfusion

Dlaczego ta kampania eksperymentalna jest tak istotna:

• Łączenie 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.
• Fizyka w różnych skalach i paliwach: Naukowcy przetestowali nowe koncepcje opracowane na mniejszych europejskich tokamakach początkowo z deuterem, a następnie z mieszanką paliwa deuterowo-trytowego. Badania te mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób procesy obserwowane na mniejszych urządzeniach będą dostosowane do większych przyszłych projektów syntezy jądrowej.
• 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.
• Powielanie scenariuszy operacyjnych: 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.
• Scenariusze zintegrowane z kompatybilnymi rozwiązaniami wydechowymi: 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.
• Pogłębianie 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.

Co to jest JET?

Tokamak JET 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. Na przestrzeni lat został poddany kilku ulepszeniom mającym na celu poprawę jego wydajności. W 1991 roku JET stał się pierwszym na świecie reaktorem wykorzystującym mieszankę trytu i deuteru w proporcji 50-50. 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.

Więcej informacji na temat badań nad fuzją jądrową można znaleźć w Europejskiej Mapie Drogowej Fuzji (European Research Roadmap to the Realisation of Fusion Energy).

Źródło: EUROfusion