Udział Polski w przełomowym sukcesie badań nad syntezą jądrową

9 lutego 2022 roku ogłoszone zostało przełomowe osiągnięcie naukowców i inżynierów w dziedzinie syntezy jądrowej.

Badania nad energetyką termojądrową prowadzone są w Europie w ramach programu badawczo-szkoleniowego Europejskiej Wspólnoty Energii Atomowej EURATOM przez konsorcjum EUROfusion (www.euro-fusion.org), złożone z 30 organizacji badawczych z 25 krajów Unii Europejskiej oraz Wielkiej Brytanii, Szwajcarii i Ukrainy. Polskę w konsorcjum reprezentuje Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM, www.ifpilm.pl), który został upoważniony przez Ministra Edukacji i Nauki do reprezentowania polskiego środowiska naukowo-badawczego w tym projekcie i koordynowania całości badań fuzyjnych w Polsce. W tym celu powołane zostało Centrum naukowo-przemysłowe Nowe Technologie Energetyczne (CeNTE, https://cente.ifpilm.pl), skupiające potencjał badawczy wielu instytucji krajowych.

Największym, działającym na świecie urządzeniem, w którym może być przeprowadzona kontrolowana reakcja syntezy jądrowej, zdolnym do pracy z mieszaniną paliwa deuteru i trytu (D-T), jest tokamak JET (Joint European Torus) znajdujący się w Culham w Wielkiej Brytanii. Podczas ostatniej kampanii eksperymentalnej (DTE2) na tym urządzeniu ustanowiony został nowy rekord energii uzyskanej z syntezy jądrowej. W grudniu 2021 roku udało się uzyskać 59 megadżuli energii w stanie stacjonarnym trwającym 5 sekund, co jest wynikiem niemal trzykrotnie wyższym od dotychczasowego rekordu z 1997 roku. W samym centrum plazmy uzyskano temperaturę 150 milionów stopni Celsjusza, czyli dziesięciokrotnie wyższą, niż temperatura panująca w jądrze Słońca. Wygenerowanie takiej energii wymagało 0,17 miligramów paliwa termojądrowego – około 0,1 mg trytu i 0,07 mg deuteru. Dla porównania, paliwa kopalne wymagałyby 10 milionów razy więcej paliwa do wytworzenia tej samej ilości energii (1,06 kg gazu ziemnego lub 3,9 kg węgla brunatnego). Uzyskane wyniki w JET są bardzo obiecujące w perspektywie dalszych badań nad fuzją jądrową w tokamaku nowej generacji ITER, a następnie już w prototypowej elektrowni termojądrowej DEMO.

Rekordy JET Fusion output comparison 1997 and 2021 Credit EUROfusion consortium v2

Porównanie wyników energii uzyskanej z syntezy jądrowej w 1997 r. (DTE1) i 2021 r. (DTE2) na tokamaku JET.
Credit: EUROfusion consortium

Osiągnięcie, o którym mowa, jest zwieńczeniem wieloletnich badań ekspertów z Europy, w tym z Polski, m.in. z IFPiLM, IFJ PAN, Uniwersytetu w Opolu czy NCBJ. Naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy intensywnie uczestniczą w tych pracach od 2005 roku. Pracowali nad przygotowaniem i optymalizacją scenariuszy operacyjnych oraz scenariuszy tzw. grzania plazmy na rzecz kampanii DT oraz na potrzeby ITER-a, eksperymentalnego reaktora budowanego na południu Francji. Fizycy z IFPiLM są specjalistami w analizie i interpretacji danych eksperymentalnych rejestrowanych za pomocą różnych diagnostyk. Badali zachowania zanieczyszczeń plazmy w celu ich kontroli i minimalizowania akumulacji. Brali udział w zaprojektowaniu i przygotowaniu nowoczesnych detektorów do diagnostyki miękkiego promieniowania rentgenowskiego w JET. Ponadto pracownicy IFPiLM uczestniczyli w pomiarach produktów reakcji syntezy jądrowej, czyli neutronów i szybkich jonów helu, zwanych również cząstkami alfa. W ramach przygotowań do kampanii DT uczestniczyli w kalibracji systemu diagnostyk neutronowych w JET dla energii 14 MeV. Wykonali liczne rekonstrukcje tomograficzne promieniowania plazmy na podstawie danych bolometrycznych. Zajmowali się także rozwojem i zastosowaniem programów numerycznych, modelujących procesy fizyczne w celu ekstrapolacji uzyskanych wyników i przewidywań dla plazmy DT i tokamaka ITER. Dzięki bogatemu doświadczeniu w pilotażu plazmy, naukowcy z IFPiLM pełnili również funkcje lidera sesji eksperymentalnej w JET.

Zdobyte doświadczenie podczas kampanii eksperymentalnej DTE2 jest niewątpliwie ważnym krokiem na drodze do pozyskania nowych źródeł energii. Ustanowiony rekord jest osiągnięciem przełomowym, ponieważ po raz pierwszy pokazuje, że możliwe jest utrzymanie stabilnej plazmy i wyprodukowanie dużych ilości energii z syntezy jądrowej przy użyciu tej samej mieszanki paliwowej, która będzie stosowana w międzynarodowym eksperymencie ITER oraz w przyszłych elektrowniach termojądrowych.