Galeria

Joint European Torus (JET), jedno z największych i najpotężniejszych urządzeń termojądrowych na świecie, wykazał zdolność do niezawodnego wytwarzania energii termojądrowej, ustanawiając jednocześnie światowy rekord energetyczny.

To wybitne osiągnięcie stanowi kamień milowy w dziedzinie nauki i inżynierii termojądrowej.

W ostatniej kampanii eksperymentalnej z deuterem i trytem (DTE3) w wygenerowanym wyładowaniu osiągnięto wysoką moc termojądrową utrzymującą się przez 5 sekund. W rezultacie uzyskano przełomowy rekord 69 megadżuli energii przy zużyciu zaledwie 0,2 miligrama paliwa.

Porównanie wyników energii uzyskanej z syntezy jądrowej w 1997 r. (DTE1), w 2021 r. (DTE2) i w 2023 r. (DTE3) na tokamaku JET.

JET to tokamak, czyli urządzenie, które wykorzystuje silne pola magnetyczne do zamknięcia plazmy w komorze w kształcie torusa. W większości przypadków przeprowadzania komercyjnej syntezy jądrowej preferowane jest zastosowanie dwóch wariantów wodoru – deuteru i trytu. Kiedy deuter i tryt łączą się ze sobą, wytwarzają hel i ogromne ilości energii – reakcja ta będzie stanowić podstawę przyszłych elektrowni termojądrowych.

Dr Fernanda Rimini, starszy menedżer ds. eksploatacji JET, powiedziała:

„Możemy niezawodnie tworzyć plazmę termojądrową, używając tej samej mieszanki paliwowej, która będzie stosowana w komercyjnych elektrowniach termojądrowych, co dowodzi zaawansowanej wiedzy specjalistycznej zdobywanej na przestrzeni lat”.

Profesor Ambrogio Fasoli, menedżer programu EUROfusion (CEO), powiedział:

„Nasza udana demonstracja scenariuszy operacyjnych dla przyszłych urządzeń termojądrowych, takich jak ITER i DEMO, potwierdzona nowym rekordem energetycznym, wzmacnia nasze zaufanie do dalszego rozwoju energii termojądrowej. Oprócz ustanowienia nowego rekordu zrealizowaliśmy także inne zadania, których nigdy wcześniej nie podejmowaliśmy, jak również pogłębiliśmy naszą wiedzę na temat fizyki syntezy jądrowej”.

Dr Emmanuel Joffrin, lider grupy zadaniowej EUROfusion Tokamak Exploitation z CEA, powiedział:

„Nie tylko zademonstrowaliśmy, jak złagodzić intensywne ciepło przepływające z plazmy do układu wydechowego, ale pokazaliśmy także w JET, jak możemy wprowadzić brzeg plazmy w stabilny stan, uniemożliwiając w ten sposób dotarcie impulsów energii do ściany. Obydwie techniki mają na celu ochronę integralności ścian przyszłych urządzeń. Po raz pierwszy w historii udało nam się przetestować te scenariusze w środowisku deuteru i trytu”.

Rekordowe wyładowanie JET o numerze 104522 podczas kampanii eksperymentalnej DTE3. Credit: EUROfusion consortium

Zaangażowanie polskich naukowców

Ponad 300 naukowców i inżynierów z EUROfusion – konsorcjum badawczego, które zrzesza badaczy z całej Europy, w tym naukowców z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) – wzięło udział w tych przełomowych eksperymentach w siedzibie brytyjskiego Urzędu Energii Atomowej (UK Atomic Energy Authority, UKAEA) w Oksfordzie, demonstrując niezrównane zaangażowanie i skuteczność międzynarodowego zespołu JET.

Dr hab. Agata Chomiczewska, prof. IFPiLM, krajowy koordynator badań na tokamaku JET, powiedziała:

„Nasza determinacja i międzynarodowa współpraca przyniosły wyjątkowe rezultaty, które stanowią kamień milowy w badaniach nad energią termojądrową. Ten sukces nie tylko potwierdza możliwość kontrolowania plazmy w tokamakach, ale również stanowi kluczowy krok w kierunku realizacji celu, jakim jest produkcja energii na skalę komercyjną z wykorzystaniem reakcji jądrowej. Przed nami jeszcze wiele wyzwań i kolejnych lat badań, ale jestem przekonana, że nasza ciężka praca przyniesie jeszcze więcej innowacyjnych rozwiązań, które będą kształtować światową energetykę”.

Mapa państw i ośrodków badawczych należących do konsorcjum EUROfusion. Credit: EUROfusion consortium

Wyjątkowe znaczenie JET

Wyniki potwierdzają kluczową rolę JET w rozwoju bezpiecznej, niskoemisyjnej i zrównoważonej energii termojądrowej.

Brytyjski Minister ds. energii jądrowej i sieci Andrew Bowie powiedział:

„Ostatni eksperyment termojądrowy w JET to łabędzi śpiew, biorąc pod uwagę wszystkie przełomowe prace prowadzone w ramach projektu od 1983 r. Jesteśmy bliżej energii termojądrowej niż kiedykolwiek wcześniej dzięki międzynarodowemu zespołowi naukowców i inżynierów pracujących w Oxfordshire”.

Profesor Sir Ian Chapman, dyrektor generalny UKAEA, powiedział:

„Warunki panujące w JET w największym stopniu przypominały te z obecnie działających obiektów, a jego dziedzictwo będzie wszechobecne we wszystkich przyszłych elektrowniach. Odgrywa on kluczową rolę w przybliżaniu nas do bezpiecznej i zrównoważonej przyszłości”.

Dr Pietro Barabaschi, dyrektor generalny ITER, powiedział:

„Przez cały okres swojej działalności JET był niezwykle pomocny jako prekursor tokamaka ITER: w testowaniu nowych materiałów, w opracowywaniu innowacyjnych komponentów i przede wszystkim w generowaniu danych naukowych otrzymywanych z fuzji deuteru i trytu. Uzyskane wyniki będą miały bezpośredni wpływ na projekt ITER, potwierdzając dalsze działania i umożliwiając nam szybszy postęp w kierunku uzyskania lepszej wydajności. Prywatnie był to dla mnie ogromny zaszczyt pracować przez kilka lat w JET. Miałem okazję uczyć się od wielu wyjątkowych osób”.

Wnętrze tokamaka JET. Credit: UKAEA

40 lat innowacyjnych badań nad fuzją jądrową

JET od ponad czterdziestu lat odgrywa kluczową rolę w rozwoju energii termojądrowej, symbolizując międzynarodową współpracę naukową, doskonałość inżynieryjną i zaangażowanie w wykorzystanie potencjału energii termojądrowej – tych samych reakcji, które napędzają Słońce i gwiazdy.

W JET zademonstrowano utrzymanie syntezy jądrowej przez pięć sekund, osiągając duże moce i w 2021 r. ustanowiono rekord świata. Pierwsze eksperymenty w JET z deuterem i trytem miały miejsce w 1997 r.

W grudniu 2023 r. JET zakończył działalność jako urządzenie wytwarzające plazmę, przechodząc do kolejnej fazy cyklu funkcjonowania obejmującego zmianę swojego przeznaczenia i likwidację. Pod koniec lutego 2024 r. zaplanowano uroczystość, która uhonoruje jego założycielską wizję i ducha współpracy, zapewniającego sukces.

Osiągnięcia na tokamaku JET, począwszy od najważniejszych kamieni milowych w nauce po ustanawianie rekordów energetycznych, podkreślają trwałe dziedzictwo obiektu w ewolucji technologii termojądrowej.

Wkład badań przeprowadzonych na tokamaku JET w naukę i inżynierię fuzji jądrowej odegrał kluczową rolę w przyspieszeniu rozwoju energii termojądrowej, która obiecuje być w przyszłości bezpiecznym, niskoemisyjnym i zrównoważonym źródłem energii.

Konferencję prasową z 8 lutego 2024 r., na której ogłoszono rekordowe wyniki, można obejrzeć na stronie: www.youtube.com

Źródło: EUROfusion, UKAEA

Naukowcy z europejskiego konsorcjum EUROfusion, w tym także polscy badacze z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM), zakończyli niedawno udane eksperymenty na urządzeniu przeznaczonym do badań nad fuzją jądrową tokamaku JET (Joint European Torus), który znajduje się w Oksfordzie (United Kingdom Atomic Energy Authority, UKAEA) w Wielkiej Brytanii.

W czwartek, 8 lutego, przedstawiciele EUROfusion, UKAEA i międzynarodowego projektu fuzji jądrowej ITER przedstawią na konferencji prasowej wyniki tych eksperymentów.

W konferencji wezmą udział:

• Ambrogio Fasoli, Programme Manager (CEO) of EUROfusion
• Ian Chapman, CEO of UK Atomic Energy Authority (UKAEA)
• Tim Luce, Deputy Head of ITER Construction Project
• Athina Kappatou, former Deputy Task Force Leader for the EUROfusion Work Package Tokamak Exploitation (Max Planck Institute for Plasma Physics, Garching, Germany)
• Joëlle Mailloux, Head of JET Science Programme Support Office (UKAEA)
• Mikhail Maslov, Scientific Coordinator – JET Tritium-rich High Fusion Power Experiments (UKAEA)

Wkrótce podamy więcej informacji.

Na tokamaku JET (Joint European Torus) po 40 latach od uruchomienia zakończyła się ostatnia seria eksperymentów.

25 czerwca 1983 roku na urządzeniu uzyskano pierwszą plazmę, cztery dekady później – w poniedziałek, 18 grudnia 2023 roku, o godzinie 22:06 miało miejsce ostatnie wyładowanie plazmowe o numerze 105842, był to ostatni eksperyment na tym urządzeniu i koniec pewnej epoki.

Dyrektor generalny United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA), profesor Sir Ian Chapman, który był obecny na stanowisku kontrolnym JET podczas ostatniego eksperymentu z plazmą, powiedział: "To ostatni kamień milowy w 40-letniej historii JET. Dziesięciolecia badań z jego wykorzystaniem prowadzonych przez wyspecjalizowane zespoły naukowców i inżynierów odegrały kluczową rolę w przyspieszeniu rozwoju energii termojądrowej".

Ostatniego dnia badań na tokamaku JET badacze z europejskich ośrodków badawczych należących do konsorcjum EUROfusion, w tym także naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, nie ustawali w przesuwaniu granic nauki. Na początku próbowano po raz pierwszy w urządzeniu uzyskać odwrócony kształt plazmy, a następnie celowo wystrzelono elektrony w wewnętrzną ścianę urządzenia, aby lepiej zrozumieć mechanizmy kontroli wiązki i powstawania uszkodzeń. Wyniki tych eksperymentów będą pomocne przy budowie, a potem eksploatacji eksperymentalnego tokamaka ITER we Francji.

W 2024 roku JET przejdzie do kolejnej fazy cyklu funkcjonowania obejmującego zmianę swojego przeznaczenia i ostatecznie likwidację, która potrwa do ok. 2040 roku.

UKAEA realizuje obecnie program STEP (z ang. Spherical Tokamak for Energy Production) mający na celu demonstrację zdolności do wytwarzania energii elektrycznej netto z syntezy jądrowej.

Grupa naukowców podczas ostatniej kampanii eksperymentalnej na tokamaku JET, w tym zespół pracowników z IFPiLM (grudzień 2023). Zdjęcie: IFPiLM

Co to jest JET?

JET to największy i najbardziej udany eksperyment termojądrowy na świecie oraz jeden z kluczowych obiektów badawczych Europejskiego Programu Syntezy Jądrowej. JET znajduje się w kampusie UKAEA w Culham, Oxfordshire w Wielkiej Brytanii i jest wspólnie wykorzystywany pod kierownictwem EUROfusion przez ponad 31 europejskich laboratoriów. W program JET zaangażowanych jest ponad 350 naukowców i inżynierów z całej Europy w tym z Polski.

Tokamak JET to eksperymentalny reaktor termojądrowy w kształcie torusa, który 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 centrum Słońca.

Rdzeniem reaktora jest komora próżniowa, w której plazma termojądrowa jest utrzymywana za pomocą silnych pól magnetycznych. W obecnej konfiguracji główny i mniejszy promień torusa plazmowego wynoszą odpowiednio 3 i 0,9 metra, a całkowita objętość plazmy wynosi 90 metrów sześciennych. Divertor zlokalizowany na dnie komory próżniowej umożliwia kontrolowane odprowadzanie uciekającego ciepła i gazu.

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, której parametr Q (stosunek wytworzonej mocy fuzji jądrowej do mocy zewnętrznej włożonej w podgrzanie plazmy) wynosił 0,64 w 1997 roku. Od 2011 roku pierwsza ściana komory próżniowej została wykonana z berylu i wolframu, co miało być odzwierciedleniem materiałów wybranych do budowy reaktora ITER, czyli tzw. ITER LIKE WALL. Kolejnym sukcesem był rekord mocy energii z fuzji jądrowej wynoszący 59 megadżuli w pięciosekundowym impulsie w grudniu 2021 roku. Tokamak został zbudowany przez państwa europejskie i był używany przez cały okres eksploatacji wspólnie głównie przez europejskich naukowców, natomiast w październiku 2021 roku stał się własnością UKAEA.

Źródło: UKAEA, IFPiLM

Zapraszamy do udziału w 17. edycji Letniej Szkoły Fizyki Plazmy organizowanej przez Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy. Wydarzenie odbędzie się w Kudowie-Zdroju w dniach 3-7 czerwca 2024 roku.

Kudowa Summer School "Towards Fusion Energy" stanowi doskonałą okazję dla młodych naukowców, magistrów i doktorantów zarówno z Polski, jak i z zagranicy do poszerzenia swojej wiedzy na temat fizyki plazmy. W trakcie Szkoły uczestnicy będą mogli zaprezentować własne osiągnięcia badawcze, a najlepsze prezentacje zostaną nagrodzone.

Wykłady, prowadzone przez wybitnych specjalistów z wiodących ośrodków naukowych na świecie, obejmą różnorodne aspekty fizyki plazmy, w tym energetyki termojądrowej, eksperymentów z wykorzystaniem plazmy, technologii plazmowej oraz diagnostyki.

Rejestracja na wydarzenie rozpocznie się 7 grudnia 2023 roku i potrwa do 11 kwietnia 2024 roku.

Termin przesyłania abstraktów upływa 23 lutego 2024 roku.

Szczegółowe informacje są dostępne na oficjalnej stronie Szkoły: kudowaschool.ipplm.pl

Nie przegap okazji i weź udział w jednym z ważniejszych wydarzeń naukowych nadchodzącego roku!

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