Badania w dziedzinie fuzji jądrowej
Po pięćdziesięciu latach badań został osiągnięty duży postęp naukowy i technologiczny w zakresie fuzji jądrowej. Plazma o temperaturze setek milionów stopni jest poddawana różnego typu eksperymentom w dużych urządzeniach fuzyjnych.
JET - The Joint European Torus
Laboratorium JET w Culham w Wielkiej Brytanii jest głównym europejskim ośrodkiem badawczym w dziedzinie fuzji. Na tokamaku JET przeprowadza się najważniejsze eksperymenty nie tylko w Europie, ale i na świecie. Stał się on wyróżniającym się laboratorium na skalę światową i zapewnił krajom europejskim przodujące miejsce w dziedzinie badań nad fuzją jądrową. W ponad dwudziestu krajach członkowskich Unii Europejskiej znajdują się mniejsze urządzenia fuzyjne, na których przeprowadzane są eksperymenty komplementarne. Poza Europą największe tokamaki znajdują się w Japonii – JT-60 oraz w Stanach Zjednoczonych, w Princeton – TFTR. Projekt JET został zaakceptowany w 1974 roku, zaczął działać w 1983 i do roku 1990 wykonał zadanie, do którego został powołany. Od 1990 roku w nowym programie badawczym, JET jest wykorzystywany do międzynarodowych eksperymentów w zakresie fuzji jądrowej.
Ilustracja 1: Widok komory plazmowej tokamaka JET (the Joint European Torus) zlokalizowanego w Culham, Wielka Brytania.
W tokamaku JET, w krótkich impulsach charakterystycznych dla tego typu urządzeń, udało się wytworzyć dużą moc reakcji fuzji deuteru i trytu, wynoszącą około 16 MW. Zdołano osiągnąć warunki bliskie ‘break-even’, kiedy moc wyjściowa jest równa mocy wejściowej, potrzebnej do zapoczątkowania reakcji fuzji. Ponadto JET zademonstrował, że tokamak wykorzystujący tryt jako paliwo, może działać bezpiecznie, a substancje radioaktywne mogą być obsługiwane za pomocą urządzeń zdalnej manipulacji.
Przyszłość badań w dziedzinie fuzji jądrowej
Chociaż JET jest obecnie największym, działającym urządzeniem badającym fuzję jądrową, jest jednak zbyt mały, aby generować więcej energii, niż sam potrzebuje do pracy: aby wytworzyć moc 16 MW potrzebuje mocy wejściowej równej 25 MW. Kryje się za tym podstawowe prawo fizyki: mała rzecz chłodzi się szybciej niż większa – zupa na łyżce schładza się szybciej niż w dużym rondlu. Dlatego logiczne jest budowanie większych urządzeń, w których utrzymywanie gorącej plazmy jest łatwiejsze. Następnym krokiem w kierunku badań nad fuzją jest tokamak ITER o dwukrotnie większych rozmiarach niż JET. ITER jest zaprojektowany do osiągania mocy 500 MW, dziesięć razy większej niż potrzebna do utrzymania plazmy.
Następny krok ITER
ITER jest największym, światowym eksperymentem, w którym zademonstrowane zostaną możliwości naukowe i technologiczne wykorzystania reakcji fuzji jądrowej do produkcji energii na Ziemi. Tokamak ITER umożliwi badanie plazmy w warunkach zbliżonych do warunków w przyszłych elektrowniach plazmowych. W ITERze zostanie przetestowanych kilka kluczowych technologii, takich jak podgrzewanie plazmy, diagnostyka, zdalna obsługa i kontrola plazmy. Będą one używane w przyszłej elektrowni plazmowej. Więcej informacji na temat ITERa można znaleźć na stronie https://www.iter.org
Ilustracja 2: Tokamak ITER. Postać człowieka, w dolnej części rysunku, pokazuje rozmiary urządzenia.
Projekt ITER został zainicjowany w latach osiemdziesiątych XX wieku w rozmowach dwóch byłych przywódców państw Reagana i Gorbaczowa. Obecnymi partnerami projektu są: Unia Europejska, Japonia, Rosja, Chiny, Korea, Indie i Stany Zjednoczone. Oznacza to, że ponad połowa ludności świata jest reprezentowana w projekcie. ITER będzie tokamakiem, w którym plazma znajduje się w komorze o kształcie pierścienia i jest utrzymywana za pomocą silnego pola magnetycznego (patrz ilustracja). W porównaniu z przyszłą elektrownią plazmową ITER będzie gabarytowo mniejszy, a jego moc wyjściowa będzie również około pięć razy mniejsza od rzeczywistej elektrowni plazmowej. Sprawdzone w nim zostaną wszystkie niezbędne technologie fuzyjne.
W kierunku elektrowni plazmowej: DEMO
Badania w dziedzinie fuzji nie zakończą się na projekcie ITER. Będzie on pomostem do pierwszej demonstracyjnej elektrowni plazmowej, która będzie dostarczać energię elektryczną do sieci. Głównym celem badań fuzyjnych w Europie jest budowa prototypu elektrowni plazmowej, która zademonstruje bezpieczną, przyjazną środowisku i ekonomicznie opłacalną produkcję energii elektrycznej. Plan strategiczny tego osiągnięcia zawiera kilka elementów:
- Prace nad tokamakiem ITER.
- Eksperymentalna elektrownia plazmowa DEMO, która zademonstruje produkcję energii elektrycznej na szeroką skalę – przy budowie i pracy DEMO wykorzystane będą doświadczenia z ITERa.
- Budowa pierwszej komercyjnej elektrowni plazmowej.