Przyszłe elektrownie termojądrowe mogą doświadczać mniejszych strat energii w spalanej plazmie niż dotychczas przewidywano. Autorzy badania - naukowcy z konsorcjum EUROfusion, w tym dr Michał Poradziński z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) - opublikowali ten zaskakujący wynik w prestiżowym czasopiśmie "Nature Communications". Odkrycie to, oparte na eksperymentach przeprowadzonych w 2021 roku w tokamaku JET (Joint European Torus), pokazuje, że mieszanka paliwa zawierająca tryt stabilizuje plazmę, co może znacząco poprawić wydajność przyszłych reaktorów. Ta stabilizacja zmniejsza turbulencje i straty energii, torując drogę do budowy mniejszych, bardziej efektywnych elektrowni termojądrowych.
Eksperymenty z wykorzystaniem deuteru są obecnie najczęściej przeprowadzanymi eksperymentami w tokamakach (pułapkach magnetycznych w kształcie torusa) na całym świecie. Deuter jest lżejszym izotopem, który zawiera jeden proton i jeden neutron. Gaz w tokamaku jest podgrzewany do temperatury osiągającej miliony stopni Celsjusza, tworząc przewodzącą prąd plazmę, która jest utrzymywana w polu magnetycznym.
Wiele aspektów kontrolowania takiej plazmy zostało zbadanych i jest znanych. Znacznie rzadsze są jednak eksperymenty z trytem, który jest cięższym (zawiera jeden proton i dwa neutrony) i niestabilnym izotopem wodoru. Dodając tryt, tworzymy mieszankę deuterowo-trytową (D-T). Otrzymujemy w ten sposób rzeczywiste paliwo, które ma być używane w przyszłych elektrowniach termojądrowych. Połączenie jąder deuteru i trytu wytworzy szybki neutron i cięższe, ale wciąż bardzo szybkie jądro helu. Dlatego mieszanka D-T nazywana jest paliwem termojądrowym. Eksperyment JET przeprowadzony w Culham (Wielka Brytania) w 2021 roku był trzecim w historii, po TFTR (1993) i również JET (1997), w którym włączono tryt do mieszanki paliwowej. Było wielką niewiadomą, w jaki sposób tryt, będący cięższy od deuteru, wpłynie na utrzymywanie plazmy, czyli zdolność do zatrzymywania jonów przez pole magnetyczne. Inną niewiadomą było to, w jakim stopniu szybkie jony helu wpłyną na stabilność plazmy. Artykuł opublikowany w "Nature Communications" pokazuje, że w warunkach zbliżonych do tych oczekiwanych w przyszłym reaktorze termojądrowym szybkie jony helu mają pozytywny wpływ na stabilność plazmy, a tryt ma korzystny wpływ na utrzymywanie plazmy. To odkrycie przybliża nas o krok do działającej elektrowni termojądrowej.
Dr Michał Poradziński z IFPiLM, współautor artykułu, nie kryje entuzjazmu: "Dzięki eksperymentom z deuterem i trytem mogliśmy zbadać obszary badań nad fuzją, które były dla nas dostępne tylko poprzez ekstrapolację wyników eksperymentów z deuterem i wodorem oraz poprzez zastosowanie znanych modeli teoretycznych. Jednak ze względu na złożoność procesów zachodzących w plazmie tokamakowej, teoretyczna niepewność modeli fizycznych była duża i wymagała weryfikacji w eksperymencie. Badania te pokazują, że nigdy nie jesteśmy całkowicie pewni, co nas czeka za rogiem. W tym przypadku okazało się, że szybkie jony helu działają na naszą korzyść, zmniejszając niestabilności. Co więcej, turbulencje zwykle występujące w zewnętrznych obszarach rdzenia plazmy zostały zredukowane, co jest nieoczekiwanym rezultatem. To bardzo dobra wiadomość i bardzo ważny krok w kierunku reaktorów fuzyjnych".
Źródło: Nature Communications, EUROfusion