Dotacja przyznana w ramach programu: Doskonała Nauka

Tytuł projektu: „International Conference on Research and Applications of Plasmas - PLASMA 2023”

Umowa nr KONF/SN/0198/2023/01

Wartość dofinansowania: 39 010,95 zł
Całkowita wartość projektu: 268 680 zł

Czas realizacji: IV – XII 2023 r.

Opis projektu:
Projekt dotyczy zorganizowanej przez Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) konferencji PLASMA - International Conference on Research and Applications of Plasmas.

Wydarzenie odbyło się w ADN Centrum Konferencyjnym w Warszawie w dniach 18-22 września 2023 roku. Uczestniczyło w nim 97 osób z 16 państw: Belgii, Chin, Francji, Hiszpanii, Holandii, Japonii, Korei Południowej, Litwy, Niemiec, Polski, Republiki Czeskiej, Serbii, Stanów Zjednoczonych, Szwajcarii, Szwecji i Wielkiej Brytanii. W czasie konferencji zaprezentowano 22 wykłady zaproszone, 21 prezentacji ustnych oraz przeprowadzono dwie sesje plakatowe, na których przedstawiono 40 posterów.

Przewodniczącą Międzynarodowego Komitetu Naukowego była dr hab. Monika Kubkowska, zastępca dyrektora ds. naukowych IFPiLM, z kolei na czele Lokalnego Komitetu Organizacyjnego stanęła dr hab. Agata Chomiczewska z IFPiLM.

Wśród tematów poruszanych podczas konferencji znalazły się m.in.:

• plazma w tokamakach i stellaratorach – fuzja z magnetycznym utrzymaniem plazmy,
• plazma wytwarzana przez wiązki laserowe – fuzja z inercyjnym utrzymaniem plazmy,
• plazma kosmiczna i astrofizyka laboratoryjna,
• plazma pyłowa,
• diagnostyka plazmy, pomiary i przetwarzanie danych, w tym sztuczna inteligencja,
• medycyna plazmowa,
• procesy elementarne, ogólna fizyka plazmy.

Konferencje z cyklu PLASMA odbywają się co dwa lata. Uczestniczą w nich naukowcy, którzy zajmują się fizyką i technologią plazmy. Dyscypliny te są silnie obecne w nauce i technice zarówno w postaci dobrze znanych i stosowanych rozwiązań, jak również dziedzin znajdujących się w dynamicznej fazie rozwoju. Należy do nich opanowanie syntezy jądrowej, która daje nadzieję na osiągnięcie przełomu cywilizacyjnego poprzez stworzenie źródła czystej i nieograniczonej energii. Temat ten stanowił jedno z kluczowych zagadnień konferencji.

Wydarzenie ma szeroki, międzynarodowy zasięg – poprzednie edycje, organizowane przez wiodące polskie ośrodki naukowe, przyciągały uczestników z całego świata. To unikalna okazja do spotkania światowej sławy naukowców i liderów w swoich dziedzinach z młodymi naukowcami szukającymi własnego obszaru zainteresowań w tematyce związanej z plazmą, do której poza pracami nad innowacyjnym źródłem energii należą badania plazmy obecnej w zjawiskach astrofizycznych, jak również w laboratoriach i przemyśle.

Poprzednia edycja konferencji PLASMA odbyła się w 2019 roku i została zorganizowana przez Uniwersytet Opolski. W 2021 roku, ze względu na pandemię COVID-19, konferencja nie odbyła się. Z uwagi na jej interakcyjny charakter nie wybrano formy zdalnej, tylko przeniesiono ją na rok 2023.

Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy – organizator konferencji w 2023 roku – jest nie tylko ważnym ośrodkiem zajmującym się wszechstronnymi badaniami plazmy, ale jest także pionierem współpracy z międzynarodowymi organizacjami koordynującymi prace nad energetyką termojądrową, takimi jak EURATOM, EUROfusion, ITER czy F4E. IFPiLM organizował konferencję PLASMA w latach 2013, 2015 i 2017. Instytut aktywnie uczestniczy w pracach nad fuzją jądrową w Polsce poprzez kierowanie Centrum naukowo-przemysłowym Nowe Technologie Energetyczne (CeNTE) i Krajowym Punktem Kontaktowym (KPK) EURATOM-IFPILM.

Warto zaznaczyć, że konferencja odbyła się w wyjątkowym momencie, tuż po ogłoszeniu przełomowych wyników uzyskanych przez naukowców zajmujących się dwiema wiodącymi gałęziami prac nad rozwojem energetyki termojądrowej: fuzją z utrzymaniem magnetycznym i fuzją z utrzymaniem inercyjnym. Wyniki te potwierdzają możliwość osiągnięcia dodatniego bilansu energetycznego na urządzeniach nowej generacji, co stanowi klucz do budowy przyszłych elektrowni fuzyjnych. W celu odpowiedniego omówienia przełomowych wyników na konferencję PLASMA zaproszono przedstawicieli zespołów badawczych, które osiągnęły ostatnie sukcesy. Po raz pierwszy w historii zorganizowano otwartą sesję plenarną, dostępną nie tylko dla uczestników konferencji. Wzięli w niej udział także przedstawiciele mediów, m.in. z PAP, Gazeta.pl, Focus.pl, Postępów Techniki Jądrowej, osoby reprezentujące krajowe instytucje oraz studenci i licealiści. Sesja plenarna była transmitowana na kanale IFPiLM na YouTubie. Można ją obejrzeć na stronie: https://www.youtube.com

Strona internetowa konferencji: https://plasma2023.ipplm.pl/

 Dotacja przyznana w ramach programu: Projekty Międzynarodowe Współfinansowane

Nazwa projektu: „Wpływ pola magnetycznego na właściwości strumienia gorących elektronów generowanego trzecią harmoniczną promieniowania jodowego lasera PALS, oddziałującą z tarczą typu DC”

Umowa nr 5320/PALS/2023/0

Wartość dofinansowania: 1 021 524 zł
Całkowita wartość projektu: 1 621 650 zł

Czas realizacji: 2023 r. – 2024 r.

Opis projektu:
W ramach projektu planowane są dwa eksperymenty na PALS, które dotyczą następujących badań:

1. Kompleksowe badania namagnesowanych strumieni plazmy generowanych za pomocą tarcz DC

Przedmiotem badań będzie plazma wytworzona za pomocą zmodyfikowanej konstrukcji tarcz DC, oświetlanej wiązką trzeciej harmonicznej lasera jodowego PALS (λ = 438,5 nm) o różnej intensywności w zakresie: 10¹⁵-10¹⁶ W/cm² uzyskiwanej poprzez zogniskowanie wiązki laserowej o energii około 350 J do różnych wymiarów ogniska.

Elementem modyfikacji konstrukcji tarczy jest tzw. żagiel elektronowy, który wychwytuje elektrony w zewnętrznej nóżce w pobliżu tarczy w celu zwiększenia prądu płynącego przez cewkę. Aby ocenić rozkład prądu i pola magnetycznego w cewce, przeprowadzone pomiary efektu Faradaya za pomocą kryształu TGG umieszczonego w odpowiedniej odległości od cewki. Cewka jest umieszczona prostopadle do tarczy w specjalnym uchwycie chroniącym kryształ TGG przed degradacją promieniowania rentgenowskiego emitowanego z plazmy.

Celem badań jest uzyskanie ilościowej informacji o wpływie osiowego pola magnetycznego na: czasoprzestrzenne rozkłady gęstości elektronowej i rozkłady gęstości prądu w strumieniu uformowanej namagnesowanej plazmy i związane z nimi rozkłady kątowe emisji elektronów i jonów pod wpływem oświetlenia zmodyfikowanych tarcz DC przez wiązkę trzeciej harmonicznej lasera jodowego PALS o różnej intensywności. Pozwoli to lepiej zrozumieć wpływ pola magnetycznego na parametry plazmy ablacyjnej, w szczególności na wytwarzanie gorących elektronów (HE) i jonów odpowiedzialnych za transport energii promieniowania laserowego do fali uderzeniowej. Zjawiska te są ważne dla realizacji ICF, zgodnie z koncepcją udarowego zapłonu (SI), ideą implozji magnetycznej oraz zastosowań astrofizycznych. Ponadto, porównując wyniki uzyskane w tym eksperymencie z wynikami eksperymentu z wykorzystaniem pierwszej harmonicznej wiązki laserowej PALS zostanie określony wpływ długości fali lasera na pole magnetyczne generowane w tarczach DC oraz parametry plazmy ablacyjnej w szczególności na emisję z niej elektronów i jonów.

W badaniach zostanie wykorzystany kompleksowy system diagnostyczny, w którym główną diagnostyką będzie trójkadrowa kompleksowa interferometria oraz czterokadrowa kamera rentgenowska w połączeniu z pomiarami rozkładów energii HE przy użyciu wielokanałowego spektrometru magnetycznego oraz dwuwymiarowego obrazowania emisji linii Cu-Ka. Diagnostykę uzupełniającą stanowić będą pomiary kątowe emisji jonów za pomocą: kolektorów siatkowych jonów, spektrometru parabolicznego Thomsona i detektora SiC oraz pomiary prądu zwrotnego (za pomocą sondy prądowej), związane z emisją elektronów rejestrowanych za pomocą wielokanałowego spektrometru magnetycznego elektronów. Jako istotne rozszerzenie systemu diagnostycznego zaproponowano pomiary emisji linii Kα miedzi w reżimie czasowym za pomocą kamery smugowej Hamamatsu. Oczekuje się, że powiązanie czasowej emisji gorących elektronów z pomiarami czasowymi rozkładów gęstości prądu uzyskanych z pomiarów z zastosowaniem wielokadrowej interferometrii kompleksowej pozwoli na uzyskanie nowych informacji o wpływie pola magnetycznego na parametry emisji elektronów istotne dla realizacji ICF zgodnie z ideą implozji magnetycznej ICF.

2. Badania optymalizacyjne tarcz CCT

Przedmiotem badań optymalizacyjnych będą tarcze CCT wykonane z miedzi oświetlane promieniem trzeciej harmonicznej lasera jodowego PALS, o różnej konstrukcji, różniącej się odległością „L” między płytami kondensatora oraz sposobem uziemienia.

Ideą optymalizacji są jednoczesne pomiary:

• spontanicznych pól magnetycznych generowanych w obszarze między okładkami kondensatora tarczy CCT oraz
• rozkładu pola magnetycznego w obszarze cewki sprzężonej z kondensatorem,

za pomocą trójkadrowej interferometrii kompleksowej.

Celem pomiarów polarno-interferometrycznych tarcz CCT będzie uzyskanie informacji o rozkładzie gęstości prądu w części kondensatorowej tarczy CCT w korelacji z pomiarami prądu płynącego w cewce. Oczekuje się, że wyniki pomiarów polaro-interferometrycznych, w połączeniu z pomiarami emisji elektronów i jonów, a także danymi dotyczącymi prądu zwrotnego, pozwolą na wybór odpowiedniej konfiguracji tarczy CCT i optymalizację jej konstrukcji pod kątem wymaganego napromieniowania w celu uzyskania maksymalnego pola magnetycznego w cewce sprzężonej z kondensatorem tarczy. Wyniki badań optymalizacyjnych tarcz CCT porównane będą z parametrami pola generowanego przy użyciu tarcz CD.

Wsparciem dla interpretacji wyników eksperymentalnych kontynuowane będą prace nad opracowaniem kodów komputerowych i narzędzi numerycznych do modelowania laserowej generacji strumieni namagnesowanej plazmy oraz generacji szybkich cząstek (elektronów, jonów) i promieniowania w warunkach adekwatnych do wykonywanych eksperymentów. Symulacje komputerowe i obliczenia numeryczne ww. zjawisk zostaną przeprowadzone dla różnych parametrów lasera i konstrukcji tarcz. W szczególności przewiduje się:

• przygotowanie oprogramowania do symulacji pól magnetycznych generowanych w tarczach dysk-cewka (DC);
• wykonanie symulacji i wyznaczenie rozkładów czasowych i przestrzennych quasi-stacjonarnego pola magnetycznego generowanego w tarczach DC z cewką jedno- i dwuzwojową w warunkach odpowiadających eksperymentom na PALS oraz jeśli to konieczne w innych eksperymentach;
• przygotowanie kodów PIC do symulacji oddziaływania laser-tarcza i generowania plazmy w zewnętrznym polu magnetycznym;
• przeprowadzenie symulacji i badań numerycznych generacji i propagacji plazmy w zewnętrznym polu magnetycznym generowanym w tarczach DC w warunkach odpowiadających eksperymentowi PALS.

Dotacja przyznana w ramach programu: Projekty Międzynarodowe Współfinansowane

Nazwa projektu: „Udział IFPiLM we Wspólnym Europejskim Programie Wspólnoty EURATOM powołanym rozporządzeniem Rady UE nr 2021/765 z dnia 10 maja 2021, uzupełniającym program Horyzont Europa”, w roku 2023

Umowa nr 5449/HEU-EURATOM/2023/2

Wartość dofinansowania: 3 603 527,00 zł
Całkowita wartość projektu: 5 952 509 zł

Czas realizacji: 2023 r.

Opis projektu:
Projekt dotyczy kontynuacji badań naukowych i technologicznych związanych z europejskim programem fuzji termojądrowej, który jest częścią Ramowego Programu Naukowo Badawczego Unii Europejskiej na lata 2021-2025 (Horyzont Europa) i jest realizowany przez Europejskie Konsorcjum EUROfusion w ramach Kontraktu Badawczego (grant nr. 101052200) przyznanego przez Komisję Europejską na realizację Wspólnego Programu Europejskiego (EJP – ang. European Joint Programme) pt. „Implementation of activities described in the Roadmap to Fusion during Horizon Europe through a joint programme of the members of the EUROfusion consortium”.

Synteza jądrowa jest w stanie w bardzo dużym stopniu przyczynić się do zaspokojenia wzrastających potrzeb światowych w zakresie zaopatrzenia w energię elektryczną produkowaną w warunkach bezpiecznych dla ludności i przyjaznych dla środowiska. Chociaż wizja komercyjnego dostępu do elektryczności otrzymywanej za pomocą fuzji jest wciąż odległa, to trzeba pamiętać o tym, że do tego czasu potrzeba zastąpienia lub uzupełnienia tradycyjnych źródeł energii będzie jeszcze bardziej paląca niż obecnie. Badania w zakresie fuzji jądrowej mają wymiar światowy ze względu na to, że zaspokojenie potrzeb w zakresie energii ma wymiar globalny, a ponadto koszty tych badań przekraczają możliwości pojedynczego kraju. Środek ciężkości badań i rozwoju w zakresie fuzji jądrowej przesunął się obecnie z badań fizyki plazmy (bardzo gorącego zjonizowanego gazu), w której następuje reakcja syntezy lekkich jąder, w kierunku opanowania technologii niezbędnych do działania elektrowni, a także do opracowania materiałów odpornych na ekstremalne warunki panujące we wnętrzu reaktora. W związku z tym społeczność międzynarodowa podjęła kroki w tym kierunku wyrażające się w budowie eksperymentalnego reaktora termojądrowego ITER (Cadarache, Francja) i budowie urządzenia do badania materiałów IFMIF-DONES (ang. International Fusion Materials Irradiation Facility – Demo Oriented NEutron Source), w Hiszpanii. Jeżeli oba te kroki będą realizowane równocześnie, to prototypowa elektrownia DEMO będzie mogła generować energię elektryczną na poziomie mocy rzędu gigawatów.

Komisja Europejska, postępując zgodnie z zaleceniem Niezależnej Grupy Ekspertów oceniającej program fuzyjny w Europie (tzw. Grupa Wagnera), stwierdziła potrzebę opracowania jeszcze w perspektywie programowej Horyzont 2020 ambitnej, ale realistycznej mapy drogowej, która zapewni produkcję energii elektrycznej z fuzji jądrowej do roku 2050. Mapa została opublikowana jako dokument porozumienia (i konsorcjum) EFDA (ang. European Fusion Development Agreement) pod koniec 2012 roku, a następnie została zaktualizowana przez konsorcjum EUROfusion w 2018 r. i stanowi obecnie podstawę europejskiego programu fuzyjnego na lata 2021-2025.

Zaktualizowana mapa drogowa badań nad syntezą jądrową konsorcjum EUROfusion (https://www.eurofusion.org/eurofusion/roadmap/) ma na celu zdobycie wiedzy niezbędnej do rozpoczęcia budowy demonstracyjnej elektrowni termojądrowej (DEMO) pięć lat po uruchomieniu eksperymentalnego tokamaka ITER z pełną mocą. DEMO dostarczy energię elektryczną z syntezy jądrowej do sieci na początku drugiej połowy XXI wieku.

Plan programu działania został określony w ośmiu różnych misjach, których celem jest realizacja działań opisanych w Mapie Drogowej w ramach programu „Horyzont Europa” poprzez wspólny program członków Konsorcjum EUROfusion, z następującymi celami nadrzędnymi:

1. Budowa i uruchomienie tokamaka ITER;
2. Zapewnienie powodzenia przyszłej eksploatacji ITERa poprzez przygotowania i eksperymenty na obecnie działających urządzeniach;
3. Opracowanie projektu koncepcyjnego elektrowni termojądrowej DEMO;
4. Sfinalizowanie projektu i skonstruowanie źródła neutronów o energii 14 MeV (IFMIF-DONES);
5. Optymalizacja pracy stellaratora jako alternatywnego podejścia do elektrowni termojądrowej;
6. Wyszkolenie i przygotowanie pokolenia naukowców, inżynierów i operatorów urządzeń ITER i DEMO;
7. Promocja innowacyjności i konkurencyjności europejskiego przemysłu w technologii syntezy jądrowej i nie tylko.

W trakcie 9. programu ramowego Horyzont Europa nastąpi rozwój szeregu inicjatyw:

• Jako że pierwsze uruchomienie eksperymentalnego tokamaka ITER planowane jest pod koniec programu ramowego, konsorcjum EUROfusion będzie przygotowywać zaangażowanie UE, w tym Polski w fazę eksploatacji ITER-a, wspólnie z agencją Fusion for Energy (F4E).
• Projekt koncepcyjny elektrowni DEMO pod koniec programu Horyzont Europa zostanie zaawansowany do etapu, na którym oceny techniczne wykonalności, bezpieczeństwa, kwestie licencjonowania i koszty cyklu życia zostaną przedstawione do przez panel tzw. Conceptual Design Gate Review.
• W latach 2023-2025 planowane są pierwsze kampanie fizyczne na tokamaku JT-60SA znajdującym się w Japonii, który jest jednym z kluczowych urządzeń na drodze do eksploatacji ITER-a. Konsorcjum EUROfusion będzie koordynować europejskie działania eksploatacyjne na tym urządzeniu.
• W 2023 r. planowany jest przegląd urządzeń fuzyjnych, którego celem jest wskazanie priorytetowych urządzeń w dalszej perspektywie, od 2025 r.
• W programie Horyzont Europa zbudowane i uruchomione zostaną dwa nowe europejskie tokamaki: Compass-Upgrade w Pradze, w Czechach oraz nadprzewodzący Divertor Tokamak Test (DTT) we Frascati we Włoszech. Oba urządzenia są w dużej mierze budowane z funduszy krajowych, jednak przewiduje się również zaangażowanie konsorcjum EUROfusion.
• W 9. Programie ramowym rozpocznie się budowa międzynarodowego źródła neutronów o nazwie International Fusion Materials Irradiation Facility – Demo Oriented NEutron Source (IFMIF-DONES).
• Pod koniec 2022 r. stellarator Wendelstein 7-X (Greifswald, Niemcy) wznowił swoją działalność z nowym aktywnie chłodzonym dywertorem, który umożliwi pracę stacjonarną we wszystkich odpowiednich skalach czasowych z wysoką wydajność. Pod koniec programu Horyzont Europa zostanie przedstawiona strategia przejścia W7-X ze ściany węglowej w urządzenie ze ścianą wykonaną z metalu (np. wolframu).

Projekt odnosi się do powyższych celów nadrzędnych, wykorzystując postępy poczynione podczas realizacji programu w programie Horyzont 2020. Taka strategia pozwoli konsorcjum EUROfusion zająć się kluczowymi kwestiami istotnymi dla tokamaka ITER, podnosząc wysiłki w rozwoju elektrowni DEMO przy stopniowym zaangażowaniu przemysłu i zapewni z jednej strony wzajemne podejście do badań i rozwoju w dziedzinie syntezy jądrowej między obiektami eksperymentalnymi, a z drugiej ożywi teorię i symulacje numeryczne.

Dotacja przyznana w ramach programu: Projekty Międzynarodowe Współfinansowane

Pełna nazwa projektu: „Charakterystyka i metody tłumienia silnych impulsów elektromagnetycznych emitowanych w oddziaływaniu wiązek laserowych wielkiej mocy z materią: redukcja impulsów elektromagnetycznych dla układów stosowanych do laserowej akceleracji protonów”

Umowa nr 5317/Vulcan Petawatt/2023/0

Wartość dofinansowania: 282 753 zł
Całkowita wartość projektu: 448 866,00 zł

Czas realizacji: 2023 r.

Opis projektu:
Jednym z ważnych kierunków badań przy użyciu laserów wielkiej mocy rozwijanych w ostatnich latach jest laserowa akceleracja jonów z tarcz stałych. Impulsy jonów napędzanych laserowo, jakie udało się do tej pory uzyskać, mają wprawdzie dość szerokie widmo, charakteryzują się jednak bardzo krótkim czasem trwania, a zatem bardzo dużymi strumieniami i dużą mocą. Maksymalne energie, jakie udało się osiągnąć w przypadku protonów, to ok. 100 MeV. Wiązki jonów napędzanych laserowo są używane w badaniach nad fuzją jądrową z inercyjnym utrzymaniem plazmy; w radiografii protonowej; przy mapowaniu quasi-statycznych pól elektromagnetycznych powstających w wyniku oddziaływania lasera z materią; służą do izochorycznego ogrzewania materii dla badań nad gorącą gęstą materią oraz do badania reakcji jądrowych przy niskich energiach. W przyszłości przewiduje się zastosowanie takich wiązek do hadronoterapii z użyciem wiązek protonów i jonów węgla, a także do badań reakcji jądrowych z udziałem ciężkich jonów.

Jedną z przeszkód w rozwoju metod laserowej akceleracji jonów jest emisja silnych impulsów elektromagnetycznych (IEM) o szerokim widmie, od dziesiątków MHz do kilku GHz, towarzyszących oddziaływaniu impulsu laserowego z tarczą stałą. Impulsy takie zakłócają pracę urządzeń elektronicznych używanych do gromadzenia danych doświadczalnych i stanowią zagrożenie dla bezpiecznej realizacji eksperymentów. W najbliższej przyszłości przewiduje się wprowadzenie do użytku kilku nowych układów laserowych o energii impulsu sięgającej kilku kJ i mocach rzędu kilku PW, dlatego znalezienie skutecznego sposobu ograniczania emisji silnych IEM ma kluczowe znaczenie dla dalszego rozwoju laserowej akceleracji jonów.

Według dotychczasowego stanu wiedzy ważnym źródłem silnych IEM w oddziaływaniu lasera z tarczą stałą jest elektryczna polaryzacja tarczy i związany z nią prąd neutralizacji. Prostym sposobem ograniczenia takiej emisji IEM jest ograniczenie prądu neutralizacji przez zastosowanie dielektrycznych podstawek dla tarcz laserowych. Pozwala to na ograniczenie amplitudy emitowanych impulsów o czynnik od 3 do 7. Inne podejście zostało zaproponowane na podstawie wyników uzyskanych w IFPiLM. Opiera się ono na koncepcji wczesnego wychwytu ładunku elektrycznego wyrzucanego z tarczy laserowej i absorpcji emisji elektromagnetycznej z tarczy przy użyciu odpowiednio ukształtowanej osłony elektromagnetycznej, a następnie dyssypacji przechwyconej energii elektromagnetycznej wewnątrz obudowy. Eksperyment przeprowadzony na układzie laserowym o mocy 10 TW w IFPiLM pokazał, że taka osłona pozwala na zredukowanie amplitudy IEM o czynnik co najmniej 20, przy braku negatywnego wpływu na maksymalne energie przyspieszanych protonów. Symulacje komputerowe pokazały, że tak silne tłumienie jest spowodowane naturą samych IEM. Okazało się bowiem, że oprócz emisji związanej z prądem neutralizacji ważną rolę odgrywa bardzo silny i bardzo krótki impuls bezpośrednio związany z ucieczką elektronów z tarczy laserowej, które jest mało podatny na modyfikacje podstawek tarcz laserowych.

a)		b)
Ryc. 1. Schemat ustawienia tarczy do laserowej akceleracji jonów: a) konwencjonalny, b) z osłoną elektromagnetyczną tarczy. (1) folia mikrometrowa; (2) podstawka tarczy; (3) impuls laserowy; (4) wiązka protonów; (5) silny IEM emitowany z tarczy laserowej; (6) osłona elektromagnetyczna.

Przedmiotem niniejszego projektu jest podjęcie próby zaadaptowania tej koncepcji do wymagań układów laserowych o wielkiej mocy i wielkim natężeniu impulsu laserowego, w szczególności dla układu laserowego Vulcan PW (urządzenie znajdujące się w Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, Wlk. Brytania; całkowita energia impulsu rzędu 600 J, czas trwania impulsu 0,6 ps). Proponowane rozwiązanie jest przedstawione na ryc. 1. Ryc. 1.a przedstawia standardową konfigurację tarczy do laserowego napędzania protonów: folia mikrometrowa (1), zamocowana na podstawce (2), zostaje poddana działaniu silnego impulsu laserowego (3), co prowadzi do powstania wiązki protonów (4). Działanie impulsu (3) powoduje także wyrzucenie z tarczy pewnej liczby elektronów i elektryczną polaryzację tarczy, co prowadzi do pojawienia się prądu neutralizacji i emisji silnego IEM (5). Ryc. 1.b przedstawia w sposób schematyczny przykład jednego z możliwych wariantów tarczy laserowej z osłoną elektromagnetyczną: osłona (6) powoduje przechwycenie części elektronów wyrzuconych z folii i części promieniowania elektromagnetycznego emitowanego z tarczy i podstawki, a następnie dyssypację tej energii za pośrednictwem odpowiedniego ukształtowania osłony.

Dla zrealizowania projektu przewiduje się podjęcie następujących działań: (a) zaproponowanie konstrukcji osłony elektromagnetycznej dostosowanej do potrzeb lasera Vulcan PW i wykonanie takich osłon na potrzeby eksperymentu; (b) przeprowadzenie eksperymentu na laserze Vulcan PW – w ramach czasu pomiarowego udostępnionego przez STFC - polegającego na pomiarze rozkładu promieniowania elektromagnetycznego w komorze doświadczalnej obserwowanego przy zastosowaniu konwencjonalnej tarczy do laserowego napędzania protonów i porównanie go z rozkładem obserwowanym dla tarcz wyposażonych w osłonę elektromagnetyczną; (c) zaproponowanie na podstawie zgromadzonych danych i modelowania komputerowego zoptymalizowanego modelu osłony elektromagnetycznej dla tarcz laserowych w układach wielkiej mocy i dużej intensywności; (d) przetestowanie zaproponowanego modelu przy użyciu lasera 10 TW w IFPiLM oraz, w miarę możliwości, innych europejskich laserów dużej mocy i dużej intensywności.

Przy badaniu skuteczności różnych modeli osłon elektromagnetycznych ważna jest możliwość monitorowania emisji elektromagnetycznej z takich układów w wielu kierunkach i przy różnych polaryzacjach. Wymaga to zastosowania dużej liczby sond elektromagnetycznych. Użycie w tym celu sond komercyjnych byłoby nadzwyczaj kosztowne. Dlatego proponuje się wytworzenie kilkunastu sond pola magnetycznego w formie pętli Moebiusa, według wzoru, który został już wcześniej z powodzeniem przetestowany w IFPiLM.

Ważnym elementem projektu będzie także zbadanie wpływu ograniczenia emisji silnych IEM na parametry wiązki protonów napędzanych laserowo. Emisja silnego IEM powoduje powstanie oscylacji elektromagnetycznych utrzymujących się w komorze eksperymentalnej przez czas od 100 do 200 ns, co odpowiada skali czasowej przelotu napędzanych laserowo jonów między tarczą laserową a detektorami jonów. Wyniki uzyskane w IFPiLM wskazują, że wzbudzenia elektromagnetyczne w komorze lasera mogą znacząco wpływać na rozkład pędów w wiązce jonów. Ograniczenie emisji IEM może więc skutkować zmniejszeniem rozbieżności wiązki jonów i zwiększeniem jej natężenia. Dodatkowo zastosowanie osłony elektromagnetycznej stwarza ciekawą możliwość poprawienia parametrów wiązki protonów napędzanych laserowo przy użyciu mechanizmu ogniskowania elektrostatycznego przez pola wytworzone przez prąd neutralizacji w mikrocewkach połączonych z tarczą laserową.

Dotacja przyznana w ramach programu: Doskonała nauka

Tytuł projektu: „23rd International Stellarator-Heliotron Workshop (ISHW)”

Umowa nr DNK/SN/547699/2022

Wartość dofinansowania: 45 500 zł
Całkowita wartość projektu: 376 690 zł

Czas realizacji: IV – XII 2022 r.

Opis projektu:
Projekt dotyczy zorganizowanej przez Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) konferencji International Stellarator-Heliotron Workshop (ISHW). 23. edycja wydarzenia odbyła się w Centrum konferencyjnym Centrum Nauki Kopernik w Warszawie w dniach 20-24 czerwca 2022 roku.

Głównym celem ISHW jest stworzenie naukowcom możliwości zapoznania się z najnowszymi osiągnięciami w fizyce plazmy oraz syntezie jądrowej, ze szczególnym uwzględnieniem urządzeń typu stellarator i heliotron. IFPiLM ma duże doświadczenie w badaniach na stellaratorach i heliotronach. Od wielu lat, głównie dzięki realizacji programu konsorcjum EUROfusion, uczestniczy w eksperymentach na największym obecnie działającym na świecie urządzeniu tego typu - stellaratorze Wendelstein 7-X w Niemczech.

Konferencja jest cyklicznym wydarzeniem odbywającym się co dwa lata. Poprzednia miała miejsce w 2019 roku i była organizowana przez Uniwersytet w Wisconsin-Madison w Stanach Zjednoczonych. Aby uniknąć zdalnej konferencji z powodu pandemii COVID-19, Międzynarodowy Komitet Naukowy zdecydował o przeniesieniu wydarzenia na rok 2022, tak aby mogło się ono odbyć w formie tradycyjnej, co daje lepsze możliwości prowadzenia dyskusji i nawiązania współpracy naukowej.

Z racji na swój zasięg oraz tematykę jest podstawowym miejscem spotkań naukowców zajmujących się fizyką plazmy i fuzją jądrową, przestrzenią do upowszechniania swoich wyników, nawiązywania współpracy międzynarodowej oraz dyskusji.

Konferencja przyczynia się do promocji osiągnięć naukowych, wymiany doświadczeń, poszerzenia i pogłębienia wiedzy w obrębie współczesnej technologii reaktorów fuzyjnych. Jest to również okazja do popularyzacji krajowych jednostek naukowych, jak również nawiązania bezpośrednich kontaktów z uczonymi z innych państw w celu podjęcia lub kontynuowania współpracy międzynarodowej. Wiele polskich jednostek naukowych jest zaangażowanych w międzynarodowe projekty związane z syntezą jądrową, zarówno wykorzystującą magnetyczne utrzymanie plazmy, jak i z fuzją laserową. Większość tych jednostek jest członkiem Centrum naukowo-badawczego Nowe Technologie Energetyczne (CeNTE, https://cente.ifpilm.pl). Udział w tych badaniach daje polskiej nauce szansę na wzmocnienie swojej pozycji w Europie, jak i na świecie.

Konferencja ISHW jest odpowiednim forum do zaprezentowania prac realizowanych w ramach różnych projektów międzynarodowych, co z jednej strony niesie ze sobą informacje o prowadzonych badaniach na świecie, a z drugiej pozwala nawiązać kontakty, które sprzyjają dalszemu rozwojowi naukowemu.

Program ostatniej konferencji obejmował prezentacje ekspertów, dyskusje naukowe na temat postępu badań i rozwoju technologii w zakresie fuzji jądrowej i fizyki plazmy, a także sesje plakatowe, podczas których młodzi naukowcy mieli możliwość zaprezentowania i skonfrontowania swoich wyników, wymiany doświadczeń z uznanymi badaczami z innych ośrodków.

Podczas 23. edycji ISHW poruszane były między innymi takie zagadnienia, jak: transport i utrzymanie plazmy w urządzeniach fuzyjnych, fizyka plazmy brzegowej i oddziaływania plazma-ściana, budowa i technologia stellaratorów i heliotronów, fizyka cząstek wysokoenergetycznych, dyskusje nt. prowadzonych symulacji oraz efektywne parametry inżynieryjne i techniczne, które są niezbędne do kontrolowanej i stabilnej fuzji jądrowej.

W konferencji wzięło udział ponad 130 uczestników. Wśród gości byli wybitni uczeni m.in. z Niemiec, Hiszpanii, Japonii, Stanów Zjednoczonych.

Strona internetowa konferencji: https://www.ifpilm.pl/ishw2022

Dotacja przyznana w ramach programu: Projekty Międzynarodowe Współfinansowane

Nazwa projektu: „Pomiar równania stanu dla boru i związków boru w ekstremalnych warunkach”

Umowa nr 5256/PALS/2022/0

Wartość dofinansowania: 476 131 zł
Całkowita wartość projektu: 755 851 zł

Czas realizacji: 2022-2023 r.

Opis projektu:
Wniosek dotyczy projektu o numerze rejestracyjnym PALS - pt.: "Measuring Equation of State of Boron compounds in extreme conditions" przyznanego przez LASERLAB-EUROPE, kontrakt: 19582.

Bor jest pierwiastkiem chemicznym o niskiej liczbie atomowej Z. Jest bardzo ważny zarówno w kontekście syntezy jądrowej, jak i w badaniach astrofizycznych.

Projektowanie i analiza eksperymentów wykorzystujących fuzję jądrową o wysokiej gęstości energii (z ang. HED, High Energy Density) oraz implementacji fuzji inercyjnej (z ang. ICF, Inertial Confinement Fusion) wymaga przeprowadzenia symulacji hydrodynamicznych opartych na równaniu stanu (z ang. EOS, Equation of State) materiałów w ekstremalnych warunkach. Wydajność implozji w eksperymentach z kapsułami napędzanymi laserem jest silnie uzależniona od materiału użytego jako ablator. Obecnie w eksperymentach ICF stosuje się kilka materiałów ablacyjnych: tworzywa sztuczne, węgiel o wysokiej gęstości (z ang. HDC, High Density Darbon) i beryl. Z punktu widzenia technologii ICF czysty bor, węglik boru i azotek boru zostały zaproponowane jako alternatywne ablatory, zwłaszcza dla eksperymentów polarnych PDXP (Direct Drive Exploding Pusher) w National Ignition Facility (NIF) w Stanach Zjednoczonych. Bor i jego związki charakteryzują się większą gęstością i wytrzymałością na rozciąganie, a także mogą umożliwiać lepsze sprzężenie między laserem a kapsułą, a w szczególności mogłyby być wykorzystywane w przyszłych eksperymentach ze źródłami neutronów. Większa wytrzymałość tych materiałów na rozciąganie w porównaniu z tworzywem sztucznym umożliwia zastosowanie cieńszego ablatora, który może wytrzymać wyższe ciśnienie gazu, co może pomóc w optymalizacji wydajności eksperymentów fizyki plazmy [1]. 

W astrofizyce obfitość boru jest krytycznym czynnikiem w testowaniu zarówno modelu kosmologicznej nukleosyntezy, jak i ewolucji gwiazd. Bor ulega termojądrowej destrukcji we wnętrzach gwiazd, a więc nie jest normalnym produktem nukleosyntezy gwiazdowej. Dlatego jego zasobność jest niska, jak widać na wykresie na Rys. 1 [2]. Lit, beryl i bor są rzadkie, ponieważ chociaż powstają w wyniku syntezy jądrowej, są następnie niszczone w wyniku innych reakcji zachodzących w gwiazdach. Stąd właśnie bierze się zjawisko zanurzenia w borze.

Rys. 1 Obecność pierwiastków chemicznych w Układzie Słonecznym [2]

Dlatego bor i inne pierwiastki lekkie są wytwarzane w ośrodku międzygwiazdowym w ramach innych mechanizmów. Wczesne teorie przypisywały ich produkcję spalacji wysokoenergetycznych protonów i cząstek na jądra C-N-O. Nowsze teorie opowiadają się za modelem, w którym większość produkcji lekkich pierwiastków pochodzi z niskoenergetycznej spalacji CR (z ang. Cosmic Ray, bombardowanie promieniami kosmicznymi) jąder C i O na protony i cząstki, prawdopodobnie w pobliżu masywnych supernowych w regionach gwiazdotwórczych [3].

Szczątkowa liczba lekkich pierwiastków: litu, berylu i boru, występujących w atmosferach gwiezdnych jest powszechnie uznawana za jeden z najpotężniejszych sposobów zrozumienia struktury gwiazd i procesów mieszania. W rzeczywistości są one stopniowo niszczone na różnych głębokościach wnętrza gwiazdy głównie przez protony i cząstki α, dlatego ich los w gwiazdach jest niezrównanym narzędziem do badania procesów mieszania [4].

Zagadnienia te są również badane w laboratoryjnych eksperymentach astrofizycznych. Ostatnie eksperymenty w National Ignition Facility (NIF) zademonstrowały przydatność polarnych eksplodujących pchaczy o dużej średnicy z napędem bezpośrednim (PDXP) jako platformy o małej gęstości powierzchniowej do eksperymentów nukleosyntezy [5]. Platformy te są rozwijane zarówno na urządzeniach laserowych OMEGA (w Stanach Zjednoczonych), jak i National Ignition Facility, ze szczególnym naciskiem na optymalizację implozji w celu badania reakcji wytwarzania cząstek naładowanych. Podstawowe wymagania w tym zakresie to wysoka wydajność, pozwalająca na uzyskanie wysokiej statystyki pomiarów produktów syntezy, w połączeniu z niską gęstością powierzchniową, umożliwiającą ucieczkę naładowanych produktów syntezy. Jest to optymalnie osiągalne w przypadku implozji z bezpośrednim napędem pchającym, w których stosuje się kapsuły z cienką szklaną powłoką [6].

Bor jest również interesującym materiałem na ablator, ponieważ jego reakcje z promieniami γ mogą być wykorzystane do ograniczenia mieszanki ablatora w czasie wypalania [7].

Z punktu widzenia materiałoznawstwa, związki boru są również bardzo interesujące. W szczególności, diagram fazowy azotku boru (BN) jest podobny do diagramu węgla, zawierając w wysokich temperaturach i ciśnieniach fazy, których struktura i właściwości fizyczne przypominają diament. BN o strukturze sześciennej z domieszką cynku jest szczególnie ważny, ponieważ jest niezwykle twardy, ustępując jedynie diamentowi [8]. Z tego powodu, równanie stanu (EOS) i przejścia fazowe boru i azotku były szeroko badane w obrębie wartości ciśnień sięgających kilku megabarów przy użyciu statycznych metod ściskania (kowadełka diamentowe).

Aby zrozumieć fizykę boru, musimy również dysponować danymi na temat jego zachowania w warunkach ekstremalnych. To obejmuje w szczególności uzyskanie danych na temat równania stanu boru przy bardzo wysokich ciśnieniach (początkowo do 100 megabarów). Grupa doktora Shuai Zhanga przeprowadziła w tej tematyce eksperymenty zarówno na laserze Omega, jak i NIF.

Przy wykorzystaniu lasera Omega, stosując metodę direct-drive, uzyskano 3 punkty EOS azotku boru odpowiadające ciśnieniu 12,14; 20,91 i 26,43 MBar na głównej krzywej Hugoniot. Jako tarcze zastosowano przezroczyste monokryształy BN [9]. Interesujące jest zarówno zwiększenie statystyki w tym zakresie, jak i zbadanie wyższych ciśnień. Dla boru jak dotąd opisany został jedynie jeden punkt (na podstawie eksperymentu przeprowadzonego na NIF) przy ciśnieniu 56 Mbar [10]. Zakres od 10 do 30 Mbar wydaje się być niezbadany.

Celem proponowanego eksperymentu jest uzyskanie nowych danych związanych z równaniem stanu dla boru bądź związków boru w zakresie ciśnień od 10 do 35 Mbar.

[1] Heather D., Whitley, et al., "Comparison of ablators for the polar direct drive exploding pusher platform", High Energy Density Physics 38 100928 (2021).
[2] J.J. Cowan, Ch. Sneden, et al., "Origin of the heaviest elements: The rapid neutron-capture process", Rev. Mod. Phys. 93, 015002 – Published 1 February 2021.
[3] D.K. Dunkan, et al., "The Evolution of Galactic Boron and the Production Site of the Light Elements", The astrophysical Journal, 488:338349 (1997).
[4] A.M. Boesgaard, "The light elements lithium, beryllium and boron" (A. Mc William, Vol. 4, 2004).
[5] M.G. Johnson, D.T. Casey, M. Hohenberger, et al., "Optimization of a high-yield, low-areal-density fusion product source at the National Ignition Facility with applications in nucleosynthesis experiments", Phys. Plasmas 25, 056303 (2018).
[6] M. Gatu Johnson, et al., "Development of an inertial confinement fusion platform to study charged- particle-producing nuclear reactions relevant to nuclear astrophysics", Physics of Plasmas 24, 041407 (2017).
[7] A.C. Hayes-Sterbenz, G.M. Hale, G. Jungman, and M.W. Park, "Probing the Physics of Burning DT Capsules Using Gamma-ray Diagnostics", LA-UR-15,20627.
[8] E. Knittle, R.M. Wentzcovitch, R. Jeanloz & M.L. Cohen, "Experimental and theoretical equation of state of cubic boron nitride", Nature 337, 349–352 (1989).
[9] Shuai Zhang, et al., "Equation of state of boron nitride combining computation, modeling, and experiment", Physical Review B 99, 165103 (2019).
[10] Shuai Zhang, Burkhard Militzer, Michelle C. et al., "Theoretical and experimental investigation of the equation of state of boron plasmas", Phys. Rev. E 98, 023205 (2018).

Dotacja przyznana w ramach programu: Projekty Międzynarodowe Współfinansowane

Nazwa projektu „Udział IFPiLM we Wspólnym Europejskim Programie Wspólnoty EURATOM powołanym rozporządzeniem Rady UE nr 2021/765 z dnia 10 maja 2021, uzupełniającym program Horyzont Europa”, w roku 2022.

Umowa nr 5246/HEU-EURATOM/2022/2

Wartość dofinansowania: 3 563 039 zł
Całkowita wartość projektu: 5 332 847 zł

Czas realizacji: 2022 r.

Opis projektu:
Podstawowym celem realizowanego projektu jest udział w badaniach prowadzonych przez Europejskie Konsorcjum EUROfusion w ramach Kontraktu Badawczego (grantu nr 101052200) przyznanego przez Komisję Europejską na realizację Wspólnego Programu Europejskiego (EJP – ang. European Joint Programme) pt. „Implementation of activities described in the Roadmap to Fusion during Horizon Europe through a joint programme of the members of the EUROfusion consortium”. W Kontrakcie Badawczym zapisane są cele całego programu, które w odniesieniu do realizacji projektu przez IFPiLM w roku 2021 omówione są poniżej.

Działania IFPiLM są zbieżne z kierunkami rozwoju europejskiego programu fuzji jądrowej, które polegają na realizacji zadań (misji) zapisanych w Mapie Drogowej dla Fuzji, przyjętej do realizacji przez EFDA (European Fusion Development Agreement) pod koniec 2012 roku. W 2018 r. dokument przedstawiający mapę drogową fuzji został uaktualniony uwzględniając nowe ramy czasowe budowanego we Francji doświadczalnego reaktora ITER (Mapa Drogowa dla Fuzji).

Zasadniczym celem Mapy Drogowej jest osiągnięcie takiego poziomu wiedzy i technologii, aby było możliwe rozpoczęcie w latach trzydziestych tego stulecia budowy reaktora termojądrowego celem demonstracji możliwości produkcji energii elektrycznej z fuzji jądrowej w 2050 roku. Plan działań zawarty w mapie opiera się na ośmiu różnych Misjach związanych zarówno z badaniami fizycznymi, jak i rozwojem potrzebnych technologii. Z kolei poszczególne Misje realizowane są poprzez szereg projektów szczegółowych (pakietów roboczych, ang. work package WP).

Kluczowym elementem Mapy Drogowej Fuzji jest reaktor doświadczalny ITER i z tego powodu bardzo duży wysiłek finansowy i ludzki w ramach 9. programu ramowego jest ukierunkowany na wsparcie budowy tego urządzenia zgodnie z planem oraz przygotowanie do jego eksploatacji nowej generacji odpowiednio wykształconych naukowców i inżynierów.

Udział polskich zespołów badawczych w tym przedsięwzięciu, w tym Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy jest znaczący. W 2021 r. IFPiLM uczestniczy aktywnie w realizacji 12 pakietów roboczych, których zasadniczym celem jest wykonanie przydzielonych zadań, zgodnie z ustaleniami ze strony Konsorcjum EUROfusion. IFPiLM prowadzi prace mające na celu bezpośredni udział w eksperymentach plazmowych (przygotowanie i realizacja eksperymentów), prowadzi analizy wyników eksperymentalnych, rozwija modele teoretyczne i buduje odpowiednie narzędzia numeryczne do opisu plazmy, jak również realizuje rozwój i budowę diagnostyk plazmy.

W ramach Wniosku zostało zdefiniowanych 5 zadań.

Pierwsze z nich dotyczy rozwoju i zastosowania diagnostyk w układach z magnetycznym utrzymaniem plazmy. Celem tego zadania jest kontynuacja analizy danych, uzyskanych w kampaniach eksperymentalnych na stellaratorze Wendelstein 7-X w Greifswaldzie w Niemczech z zaprojektowanej i wykonanej przez IFPiLM diagnostyki PHA. Analizy skupią się na dalszym badaniu zachowania zanieczyszczeń plazmy w różnych warunkach eksperymentalnych. Nastąpi dalszy rozwój kodów do wyznaczania koncentracji zanieczyszczeń plazmy z widm PHA. W ramach modernizacji i przygotowania diagnostyki PHA do kampanii eksperymentalnej OP2.1 i OP2.2 planowana jest aktualizacja systemu operacyjnego wraz z aktualizacją całego oprogramowania, które wchodzi w skład obsługi diagnostyki. Planowane jest także przeprowadzenie testów optymalizacji spektrometru pod kątem zwiększonej mocy grzania. W fazie przygotowawczej przed właściwą kampanią naukową na W7-X zostanie przygotowany również proposal eksperymentalny na uruchomienie diagnostyki PHA. Tak przygotowany system pozwoli na sprawną akwizycję danych eksperymentalnych oraz ich bieżącą analizę wspartą wykorzystaniem dedykowanych narzędzi numerycznych w celu przeprowadzenia poprawnej interpretacji uzyskanych wyników. Poza pomiarem „standardowych” zanieczyszczeń (np. Fe, Ni, Ar, Cl) celem na rok 2022 będzie również przygotowanie propozycji eksperymentów w celu przeprowadzenia kompleksowej analizy linii wolframu w zależności od różnych warunków plazmy oraz jego koncentracji w plazmie.

Ponadto w 2022 roku w ramach przygotowań do zbliżającej się kampanii eksperymentalnej planowane jest złożenie oraz uruchomienie pierwszej z dwóch sekcji spektrometru „C/O monitor” - nowego urządzenia diagnostycznego przeznaczonego do pomiaru lekkich zanieczyszczeń (węgla oraz tlenu) w plazmie. Działanie systemu wraz z akwizycją danych zostaną kompleksowo przetestowane podczas kampanii eksperymentalnej OP2.1. Uzyskane dane eksperymentalne zostaną w następnej kolejności porównane z wynikami obliczeń numerycznych w celu walidacji przewidywanych sygnałów intensywności rejestrowanego sygnału z uzyskanymi danymi eksperymentalnymi. Przeprowadzona zostanie kalibracja systemu oraz określone zostaną optymalne warunki pracy urządzenia.

W ramach tego zadania będą również prowadzone prace nad dalszym rozwojem diagnostyk dla demonstracyjnej elektrowni DEMO. W reaktorze tym główne wymagania fizyczne sterują strategiami kontroli urządzenia. Wśród nich zidentyfikowano kilka kluczowych wymagań fizycznych: takich jak pozostanie w granicach operacyjnych plazmy tokamaka (na przykład aktywności MHD, limitu Greenwald’a), zmniejszenie obciążenia cieplnego pierwszej ściany i tym samym uniknięcia jej uszkodzeń, utrzymanie stabilnego kształtu i równowagi plazmy, utrzymanie strat mocy przez separatrysę powyżej progu trybu utrzymania, wszystko to razem, aby zapewnić utrzymanie stabilnej mocy syntezy jądrowej. W tym globalnym celu rozwoju i konstrukcji reaktora DEMO, prowadzone badania mają za zadanie przygotować odpowiednie diagnostyki i narzędzia do kontroli pracy reaktora, w tym, do monitorowania strat mocy promieniowania przez separatrysę w celu utrzymania odpowiedniego scenariusza plazmy. Do tego celu w ramach podzadania WPDC: Architecture (System design and Integration) Prad/SXR diagnostics naukowcy z IFPiLM są odpowiedzialni za przygotowanie projektu diagnostyki na bazie detektorów gazowych. W 2022 r. planowana jest kontynuacja badań nad przygotowaniem koncepcji diagnostyki oraz opracowaniem finalnego projektu pojedynczego czujnika promieniowania SXR. Jedno z głównych zadań przewidzianych do realizacji w tym roku dotyczy weryfikacji oczekiwanej dokładności pomiaru, na którą składają się dwa podstawowe czynniki – dokładność pomiaru mocy promieniowania za pomocą zaprojektowanego detektora oraz dokładność rekonstrukcji tomograficznej. W ramach zadania planowana jest między innymi analiza numeryczna wpływu pola magnetycznego na sygnał wygenerowany w detektorze, symulacja grzania jądrowego oraz rozpoczęcie symulacji w celu określenia obciążeń cieplnych elementów diagnostyki.

Innym projektem realizowanym w ramach zadania pierwszego jest projekt, którego celem jest weryfikacja przydatności systemów uczenia maszynowego do analizy ilościowej oraz klasyfikacji widm LIBS do pomiarów zawartości izotopów wodoru podlegających retencji w elementach wewnętrznych komory reaktora termojądrowego. W roku 2022 prace skupią się na rozdzieleniu koncentracji izotopów wodoru oraz opracowaniu i wstępnym przetestowaniu modeli konwersji widm symulacyjnych i eksperymentalnych. Jednocześnie prowadzone prace nad rozwojem obecnie dostępnych narzędzi, czyli pakietu SimulatedLIBS, modeli zaimplementowanych we frameworku Orange oraz tworzonych aktualnie przy użyciu TesorFlow/Keras modeli sieci neuronowych. Badaniom tym towarzyszyć będzie eksperymentalna analiza próbek dostarczanych przez współpracujące laboratoria.

Zadanie drugie związane jest z rozwojem diagnostyk do pomiarów neutronów prędkich z reakcji syntezy ciężkich izotopów wodoru. W ramach tego zadania realizowane są prace badawcze z projektów WPENS Early Neutron Source, WPSA JT-60SA Exploitation, WPSAE Safety and Environment oraz WPPrIO Preparation for ITER Operation.

W ramach projektu WPENS Early Neutron Source zaplanowane zostały dwie prace badawcze. Pierwszą z nich jest kontynuacja obliczeń neutronowych wspomagających projekt koncepcyjny zamykacza neutronów dla urządzenia DONES. Celem tego zadania jest wykonanie szeregu obliczeń, które pomogą ustalić właściwą grubość i skład materiałów zamykacza neutronów w celu zapewnienia bezpieczeństwa radiologicznego w pomieszczeniu do eksperymentów uzupełniających. W dalszej części zadania zostanie policzone grzanie jądrowe elementów zamykacza oraz ich aktywacja w celu wspomożenia dalszych prac projektowych. Celem kolejnych obliczeń jest dobór materiałów i grubości filtrów neutronów, które pozwolą uzyskać oczekiwane widmo energetyczne.

Druga praca badawcza w ramach projektu WPENS dotyczy analizy aktywacji przez neutrony powietrza w pomieszczeniu do eksperymentów uzupełniających. Celem tego zadania jest policzenie produkcji Ar-41 z aktywacji powietrza. Dane te są niezbędne do analiz bezpieczeństwa działania systemu wentylacji.

Kolejnym projektem realizowanym w ramach tego zadania jest projekt związany z tokamakiem JT-60SA w Japonii. Głównym celem jest modernizacja układu fuzyjnego JT-60 zbudowanego w Naka do układu nadprzewodzącego JT-60SA, jak również wsparcie badań nad fuzją jądrową dla budowanego tokamaka ITER oraz optymalizacja działania planowanych elektrowni termojądrowych (DEMO). Jednym z głównych zadań przewidzianych w projekcie jest optymalizacja planowanych kampanii eksperymentalnych oraz systemów diagnostycznych dla budowanego tokamaka ITER jak również szkolenie przyszłej kadry (naukowców, inżynierów czy techników) do pracy przy eksploatacji budowanych tokamaków. Jedną z głównych misji tego projektu jest również wspieranie dalszego rozwoju scenariuszy operacyjnych i zrozumienia zagadnień fizycznych czy też przetestowanie ewentualnych modyfikacji istniejących diagnostyk i systemów na JT-60SA przed wdrożeniem ich do zastosowania w tokamaku ITER. W ramach tego projektu przewidziano realizację przez IFPiLM prac badawczych dotyczących analiz numerycznych dla planowanego systemu aktywacyjnego dla JT-60SA. Głównym celem tego zadania jest wybór ostatecznego położenia zakończeń aktywacyjnych w układzie JT-60SA, który dostarczy informacje na temat wydajności emisji neutronów danego wyładowania plazmowego jak również pozwoli na wyznaczenie parametrów plazmy. W ramach tej pracy badawczej zaplanowano m. in. przeprowadzenie symulacji aktywacyjnych dla wybranych materiałów napromieniowanych w wybranych zakończeniach aktywacyjnych, optymalizacje pomiarów spektrometrii promieniowania gamma emitowanego z napromieniowanych próbek, analizę wpływu ilości neutronów pochodzących z dopalania trytu w plazmie deuterowej na otrzymane rezultaty pomiarów spektrometrycznych, analizę możliwości zastosowania różnych metod dekonwolucji do odtworzenia widma neutronów jak również przygotowanie procedury kalibracyjnej dla systemu aktywacyjnego.

W ramach tego zadania realizowane są również prace badawcze związane z przygotowaniem różnego rodzaju analiz i symulacji, które dostarczają istotnych danych wejściowych do raportów bezpieczeństwa dla urządzeń fuzyjnych w tym planowanego układu DEMO (zadania w ramach WPSAE). Jednymi z rozważanych analiz są obliczenia neutronowe, których rezultaty są szczególnie istotne dla potrzeb analizy potencjalnych wypadków związanych z utratą chłodziwa, wyznaczania dawek promieniowania na które będą narażeni pracownicy wykonujący prace konserwacyjne przy urządzeniu jak również określenia stopnia napromieniowania poszczególnych komponentów składowych, które w przypadku silnego zaaktywowania mogą emitować promieniowanie wtórne zakłócające pracę krytycznych elementów urządzenia DEMO. W ramach projektu WPSAE zaplanowano przeprowadzenie obliczeń aktywacyjnych dla limitera oraz akceleratora elektronów dla urządzenia DEMO. Dwie koncepcje blanketu WCLL and HCPB zostaną rozważone. W modelach uwzględniony zostanie pył pochodzący z erozji materiałów mających styczność z plazmą. W ramach obliczeń wykonane zostaną symulacje transportu neutronów z zastosowaniem kodu MCNP, których rezultatem będą widma neutronów dla każdego z elementów składowych akceleratora elektronów i limitera. Obliczone widma neutronów zostaną zastosowane do symulacji aktywacyjnych z wykorzystaniem kodu FISPACT-II. Na obliczenia aktywacyjne składają się obliczenia grzania jądrowego dla neutronów i gamm, ciepło rozpadu, aktywność właściwa produktów reakcji oraz określenie nuklidów mających największy wkład do całkowitej aktywności danego elementu.

Kolejnym projektem realizowanym w ramach zadania drugiego jest projekt WPPrIO. Zespół naukowców z IFPiLM jest zaangażowany w podprojekt ACT, którego głównym celem jest napromieniowanie materiałów, które zostaną użyte do budowy tokamaka ITER w strumieniu 14-MeV neutronów w trakcie kampanii eksperymentalnych na tokamaku JET. Podstawowymi materiałami, które zostaną napromieniowane w strumieniu neutronów są Nb3Sn, stale SS316L, stopy W, CuCrZr, OF-Cu, XM-19, NbTi czy też EUROFER. Materiały te zostaną zastosowane do budowy kluczowych elementów tokamaka, jak również systemów grzania, diagnostyk i w przypadku silnego napromieniowania mogą one emitować promieniowanie wtórne zakłócające pracę krytycznych elementów ITER. Dane eksperymentalne zebrane dla pomiarów zaaktywowanych próbek materiałów tokamaka ITER pozwolą na walidację kodów aktywacyjnych oraz bibliotek stosowanych w fizyce plazmy. W ramach projektu WPPrIO zaplanowano wykonanie trzech prac badawczych. Jedną z nich jest analiza danych spektrometrii gamma zarejestrowanych z użyciem detektora HPGe dla napromieniowanych próbek materiałów konstrukcyjnych tokamaka ITER. Materiały te były aktywowane w trakcie kampanii TT i DT w kasie LTIS na tokamaku JET. Kolejnym z zadań przewidzianym do wykonania przez naukowców z IFPiLM jest analiza danych spektrometrycznych zarejestrowanych dla materiałów konstrukcyjnych tokamaka ITER oraz folii dozymetrycznych napromieniowanych w zakończeniu aktywacyjnym KN2 6U w trakcie kampanii DT na tokamaku JET. W ramach projektu WPPrIO przewidziano także przeprowadzenie charakteryzacji Układu Antykoincydencyjnego do rejestracji promieniowania gamma zainstalowanego w Laboratorium Diagnostyki Neutronów i Promieniowania Gamma w IFPiLM.

Podstawowym celem działań realizowanych w ramach zadania trzeciego jest zdefiniowanie i interpretacja procesów fizycznych zachodzących w obszarze plazmy brzegowej mających fundamentalny wpływ na pracę obecnych i przyszłych urządzeń fuzyjnych. W ramach zadania zaplanowano w 2022 roku szereg badań mających na celu pogłębienie wiedzy dotyczącej w zjawisk fizycznych zachodzących w obszarze dywertora, w plazmie brzegowej i w centrum sznura plazmowego. Celem badań nad dywertorem ciekłometalicznym jest określenie zachowania dywertora ciekłometalicznego w warunkach pracy reaktora DEMO oraz wpływu na własności plazmy w urządzeniu, jak również walidacja modelu w oparciu o dostępne wyniki eksperymentalne. Kolejnym celem będzie określenie wpływu transportu poprzecznego w plazmie brzegowej urządzenia DEMO na przykładzie kilku wybranych alternatywnych konfiguracji dywertorowych przy uwzględnieniu różnych wartości mocy docierającej do plazmy brzegowej z centrum. Zadanie to będzie stanowiło podstawę do opracowania modeli uproszczonych dla reaktora DEMO w ramach pakietu WPPWIE. Zostaną przeprowadzone również analizy numeryczne dla planowanego tokamaka IDTT, których celem jest zdefiniowanie parametrów plazmy w obszarze dywertorowym ze szczególnym uwzględnieniem dynamiki cząstek neutralnych i molekuł w obszarze strumienia prywatnego. Rezultaty wykonanych badań będą stanowiły podstawę dalszych prac badawczych i projektowych związanych z problemem odpompowania neutrałów z obszaru dywertora.

W ramach badań polegających na modelowaniu plazmy brzegowej w urządzeniu JT-60SA, zostaną przeprowadzone symulacje dla przygotowanych scenariuszy pracy urządzenia mające na celu zdefiniować możliwości rozpraszania energii plazmy w plazmie brzegowej zanim energia zostanie zdeponowana na płycie dywertora. Rezultaty posłużą do ustalenia optymalnych parametry plazmy w dywertorze, strumieni cząstek i energii padających na płyty dywertora oraz możliwości wypromieniowania energii przez poszczególne atomy wprowadzanych domieszek w obranym scenariuszu badawczym.

Prowadzony jest również rozwój trójwymiarowego kodu brzegowego FINDIF. W tym roku planowana jest rozbudowa pół- i całkowicie automatycznych narzędzi do analizy pola by lepiej uwzględniać (częściowe) uporządkowanie linii pola przecinających powierzchnie pierwszej ściany urządzeń. Celem jest poprawa stabilności obliczeń i ułatwienie interpretacji wyników symulacji.

W ramach zadania planowane są również prace nad dalszym rozwojem 3-wymiarowego nieliniowego kodu JOREK do modelowania niestabilności magnetohydrodynamicznych typu ELM. W 2022 roku, w celu zrozumienia mechanizmów stabilizacji wyładowania w reżimie tzw. małych ELMów, rozwijany będzie model zawierający dryfy diamagnetyczne, które mają ogromny wpływ na stabilizację plazmy tokamakowej. Po zaimplementowaniu równań z dodatkowymi członami zostaną przeprowadzone symulacje przy pomocy kodu JOREK w celu walidacji modelu oraz porównania symulacji z wynikami eksperymentalnymi. Prowadzone będą również prace mające na celu wsparcie techniczne wybranych zadań TSVV z projektu ACH (Advance Computer Hub). Głównym zadaniem jest wsparcie naukowców rozwijających kodów numeryczne w adaptacji ich kodów do standardu IMAS oraz weryfikacja poprawności działania tworzonych narzędzi i rozwiązań w strukturze IMAS. Tworzenie standardu IMAS przez społeczność skupioną wokół reaktora ITER ma na celu zunifikowanie sposobu wymiany i formatu zapisu wyników eksperymentalnych i symulacji numerycznych, umożliwiając jednoznaczną wymianę informacji pomiędzy kodami modelującymi plazmę tokamakową.

Zadanie czwarte związane jest z pracami eksperymentalnymi i teoretycznymi na działających urządzeniach fuzyjnych w ramach pakietu roboczego WPTE: Tokamak Exploitation. Ma on na celu obsługę europejskich tokamaków wspieranych przez konsorcjum EUROfusion, w celu przygotowania do eksploatacji reaktora kolejnej generacji ITER budowanego we Francji oraz ukierunkowania projektu budowy pierwszej prototypowej elektrowni DEMO. W ramach programu „Horyzont Europa” projekt WPTE obejmuje cele Misji 1 (reżimy działania plazmy) oraz Misji 2 (system odprowadzania ciepła) zapisane w planie działania Unii Europejskiej na rzecz syntezy jądrowej. Główne cele programu badawczego WP TE w ramach tych dwóch misji zostały określone następująco:

• Zademonstrowanie i określenie stabilnej oraz wysokowydajnej pracy reaktora w obecności metalowych komponentów pierwszej ściany urządzenia na rzecz reaktora ITER i DEMO.
• Opracowanie zintegrowanych scenariuszy długich i stabilnych wyładowań dla reaktora ITER i DEMO.
• Ulepszenie opisów fizycznych cząstek energetycznych uwzględniając ich nieliniowe oddziaływanie z plazmą termiczną, w celu kontrolowania plazmy w reaktorze ITER i DEMO.
• Kontrola zjawiska oderwania plazmy od płyt dywertora (ang. plasma detachment) na rzecz optymalizacji pracy reaktora ITER, DEMO i HELIAS.
• Przygotowanie wydajnej obsługi komponentów wewnętrznej ściany reaktora (ang. PFC) dla ITER, DEMO i HELIAS.
• Zbadanie alternatywnych i innowacyjnych geometrii dywertorów dla reaktora DEMO.

W 2022 r. w ramach projektu WPTE, badania naukowe nad syntezą termojądrową będą prowadzone na pięciu urządzeniach ASDEX Upgrade w Niemczech, MAST-U w Wielkiej Brytanii, TCV w Szwajcarii, WEST we Francji i JET w Wielkiej Brytanii.

Przedmiotem badań projektu realizowanego w ramach zadania piątego są badania plazmy laserowej ukierunkowane na poznanie zagadnień związanych z realizacją fuzji inercyjnej. Głównym celem pakietu WP1 (WP1: charakterystyka gorących elektronów i SI napędzanych gorącymi elektronami) jest przygotowanie eksperymentu, którego zadaniem jest próba odtworzenia fizyki zapłonu uderzeniowego w geometrii planarnej. W ramach przygotowań do eksperymentu wykonane zostaną hydrodynamiczne symulacje, które pozwolą na określenie natężenia wiązek laserowych oraz przesunięcia czasowego pomiędzy tymi wiązkami. Dodatkowo symulacje te pozwolą na określenie grubości poszczególnych warstw wielowarstwowej tarczy. Po przeprowadzeniu eksperymentu wykonana zostanie analiza pomiarów zarejestrowanych przy pomocy diagnostyk SOP i VISAR. W ramach pakietu WP3, który jest ukierunkowany na badanie alternatywnych innowacyjnych podejść do ICF i nowych koncepcji próbek, planowane są eksperymenty związane z fuzją proton-bor. Celem tego zadania będzie przeprowadzenie eksperymentów przy wykorzystaniu przenośnego układu VISAR, który pozwoli na zwiększenie statystyki oraz wyznaczenie nowych punktów opisujących równanie stanu dla boru i związków boru na głównej krzywej Hugoniot w zakresie wysokich ciśnień. W ramach badań sprawdzony zostanie wpływ pola magnetycznego działającego na ukierunkowanie wiązki protonów i cząstek α, a tym samym wpływ na generację cząstek α w tarczy borowej. W ramach tego zadania przeprowadzona zostanie analiza promieniowania rentgenowskiego. W ramach WP5 kontynuowane będą eksperymenty dotyczące wytwarzania namagnesowanych strumieni plazmowych za pomocą typu disc-coil, których celem jest poznanie wpływu pola magnetycznego na parametry hydrodynamiczne komprymowanej plazmy i związaną z tym emisję elektronów i jonów. Szczególna uwaga koncentruje się na produkcji gorących elektronów odpowiedzialnych za transport energii lasera do fali uderzeniowej, czyli zagadnieniach o kluczowym znaczeniu dla scenariuszy inercyjnej fuzji (ICF), takich jak udarowy zapłon termojądrowy, czy implozja magnetyczna.

Dotacja przyznana w ramach programu: Projekty Międzynarodowe Współfinansowane

Nazwa projektu: „Udział IFPiLM we Wspólnym Europejskim Programie Wspólnoty EURATOM powołanym Rozporządzeniem Rady UE nr 1314/2013 z dn. 16 grudnia 2013 r., uzupełniającym program Horyzont 2020”, w roku 2022.

Umowa nr 5252/H2020-EURATOM/2022/2

Wartość dofinansowania: 96 659 zł
Całkowita wartość projektu: 632 269 zł

Czas realizacji: 2022 r.

Opis projektu:
Projekt dotyczy kontynuacji badań naukowych i technologicznych związanych z europejskim programem fuzji termojądrowej. Program ten jest częścią Ramowego Programu Naukowo-Badawczego Unii Europejskiej na lata 2014-2020 (Horyzont 2020) (przedłużony do 2022) i jest realizowany przez Europejskie Konsorcjum EUROfusion w ramach Kontraktu Badawczego (grantu nr 633053) przyznanego przez Komisję Europejską na realizację Wspólnego Programu Europejskiego (EJP – ang. European Joint Programme) pt. „Implementation of activities described in the Roadmap to Fusion during Horizon 2020 through a Joint programme of the members of the EUROfusion consortium”.

W związku z opóźnieniami spowodowanymi pandemią COVID-19, która wpłynęła na wiele pakietów roboczych programu EUROfusion oraz opóźnieniem gotowości eksperymentalnego reaktora JET do pracy z trytem, program został wydłużony na lata 2021-2022.

Termojądrowa konwersja energii (fuzja jądrowa) jest w stanie w bardzo dużym stopniu przyczynić się do zaspokojenia wzrastających potrzeb światowych w zakresie zaopatrzenia w energię elektryczną produkowaną w warunkach bezpiecznych dla ludności i przyjaznych dla środowiska. Chociaż wizja komercyjnego dostępu do elektryczności otrzymywanej za pomocą fuzji jest wciąż odległa o kilka dekad, to trzeba pamiętać o tym, że do tego czasu potrzeba zastąpienia lub uzupełnienia tradycyjnych źródeł energii będzie jeszcze bardziej paląca niż obecnie. Badania w zakresie fuzji jądrowej mają wymiar światowy ze względu na to, że zaspokojenie potrzeb w zakresie energii ma wymiar globalny, a ponadto koszty tych badań przekraczają możliwości pojedynczego kraju. Środek ciężkości badań i rozwoju w zakresie fuzji jądrowej przesunął się obecnie z badań fizyki plazmy (bardzo gorącego zjonizowanego gazu), w której następuje reakcja syntezy lekkich jąder, w kierunku opanowania technologii niezbędnych do działania elektrowni, a także do opracowania materiałów odpornych na ekstremalne warunki panujące we wnętrzu reaktora. W związku z tym społeczność międzynarodowa podjęła kroki w tym kierunku wyrażające się w budowie Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego (ang. International Tokamak Experimental Reactor – ITER, Cadarache, Francja) i budowie Międzynarodowego Urządzenia do Badania Materiałów (ang. International Fusion Materials Irradiation Facility – IFMIF, Japonia). Jeżeli oba te kroki będą realizowane równocześnie, to za mniej więcej 30 lat prototypowa elektrownia DEMO będzie mogła generować energię elektryczną na poziomie mocy rzędu gigawatów. W światowym projekcie ITER, wraz z UE i Japonią, które wspólnie stoją na czele tych badań, biorą udział także USA, Rosja, Chiny, Korea Południowa i Indie. Głównym udziałowcem jest Wspólnota Euratom (46%), a budżet programu to 20 mld €.

ITER jest uwieńczeniem ponad 50 lat badań, w których liderem była i jest Unia Europejska będąca operatorem największego działającego obecnie doświadczalnego reaktora termojądrowego JET zlokalizowanego w Culham koło Oksfordu. W urządzeniu nazwanym Wspólnym Europejskim Torusem (JET – ang. Joint European Torus) udało się stworzyć warunki umożliwiające osiągnięcie stanu, w którym ilość energii pochodzącej z fuzji jest porównywalna z ilością energii dostarczanej do urządzenia w celu osiągnięcia temperatury inicjacji reakcji fuzji jądrowej.

Komisja Europejska, postępując zgodnie z zaleceniem Niezależnej Grupy Ekspertów oceniającej program fuzyjny w Europie (tzw. Grupa Wagnera), stwierdziła potrzebę opracowania w perspektywie programowej Horyzont 2020 ambitnej, ale realistycznej mapy drogowej, która zapewni produkcję energii elektrycznej z fuzji jądrowej do roku 2050. Mapa została opublikowana jako dokument porozumienia EFDA (ang. European Fusion Development Agreement) pod koniec 2012 roku, następnie została zaktualizowana w 2018 r. przez konsorcjum EUROfusion i stanowi obecnie podstawę europejskiego programu fuzyjnego. Mapa Drogowa dla Fuzji (dalej MDF) wyznacza główne cele, które są związane z budową, uruchomieniem i eksploatacją układu ITER oraz stworzeniem podstaw do budowy prototypowej elektrowni termojądrowej DEMO. W dokumencie tym uwzględniona jest także koncepcja komplementarna do tokamaka, a mianowicie stellarator. Największe w Europie urządzenie tego typu, stellarator Wendelstein 7-X, zostało zbudowane w ośrodku IPP Greifswald koło Rostocku, a pod koniec 2015 r. nastąpiło jego uruchomienie. Badania w zakresie energetyki termojądrowej są największym programem badawczym UE i drugim co do nakładów (po Międzynarodowej Stacji Kosmicznej) programem badań na świecie.

Badania prowadzone w Polsce w dziedzinie fuzji termojądrowej nabrały zasadniczo nowego wymiaru po roku 2005, co związane było z przystąpieniem kraju do Programu Ramowego Wspólnoty EURATOM, poprzez podpisanie Kontraktu Asocjacyjnego, którego stronami były Wspólnota EURATOM, reprezentowana przez Komisję Europejską, i Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM), który koordynował w latach 2005-2013 r. udział innych polskich placówek badawczych w tym przedsięwzięciu naukowym. Fakt przystąpienia do europejskiego programu fuzji termojądrowej stworzył zupełnie nowe perspektywy dla prowadzenia prac badawczych, zwłaszcza w zakresie dostępu do europejskich urządzeń i ośrodków badawczych, przyczyniając się do silnej integracji prac oraz intensywnej współpracy i realizacji spójnego programu w ramach wspólnie przyjętej strategii na poziomie krajowym oraz europejskim.

W 2014 roku Komisja Europejska dokonała zasadniczej reorganizacji programu fuzji jądrowej Wspólnoty Euratom polegającej na odejściu od programu opartego na kontraktach asocjacyjnych. W zamian Komisja Europejska postanowiła powierzyć realizację całości programu fuzyjnego w Europie konsorcjum EUROfusion, które utworzone zostało w lipcu 2014 r. przez laboratoria fuzyjne krajów członkowskich, będące sygnatariuszami dotychczasowego porozumienia EFDA. W ramach nowej struktury organizacyjnej IFPiLM został upoważniony przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego do reprezentowania polskiego środowiska naukowo-badawczego w tym projekcie i koordynowania całości badań fuzyjnych w Polsce. W tym celu w miejsce Asocjacji Euratom-IFPiLM powołane zostało Centrum naukowo-przemysłowe Nowe Technologie Energetyczne (CeNTE), skupiające potencjał badawczy z 17 instytucji naukowo-badawczych (+ Wrocławski Park Technologiczny oraz cztery firmy komercyjne: S2Innovation, InPhoTech, VoiceLab i Symkom-Ansys) w kraju. Nowa organizacja programu fuzyjnego w Europie stworzyła warunki dla kontynuacji programu w Polsce, pozwala ponadto polskim instytucjom badawczym na udział w bezprecedensowym przedsięwzięciu, jakim jest uzyskanie energii elektrycznej z fuzji magnetycznej. Ten wysiłek, realizowany w ramach programu zintegrowanego z partnerami z innych krajów europejskich, jest oczywiście przedsięwzięciem długofalowym ukierunkowanym na tym etapie na wsparcie prac dla projektu ITER, a w dalszej perspektywie na podjęciu przedsięwzięć związanych z DEMO. W miarę jak kierunki badań będą ewoluowały z zagadnień dotyczących nauk podstawowych do problemów z dziedziny nauk stosowanych i technologii, pojawią się niewątpliwie nowe możliwości dla transferu technologii i zaangażowania przemysłu w programie. Laboratoria tworzące konsorcjum EUROfusion opracowały wspólny program mający na celu realizację misji badawczych zdefiniowanych w Mapie Drogowej dla Fuzji; na realizację tego programu Komisja Europejska przeznaczyła znaczące środki finansowe (ponad 900 M€ w latach 2014-2020).

Zgłoszony projekt jest częścią Kontraktu Badawczego pomiędzy Wspólnotą Euratom i Konsorcjum EUROfusion i dotyczy kontynuacji przez IFPiLM, w roku 2022, prac naukowych i technologicznych związanych z europejskim programem fuzji termojądrowej. Planowane zadanie badawcze jest kontynuacją prac rozpoczętych w latach poprzednich (w ramach Kontraktu Badawczego w latach 2014-2020) i jest skorelowane z długofalowym i wieloletnim europejskim programem badawczym w obszarze fuzji termojądrowej. Osiągnięte do tej pory rezultaty naukowe spotkały się z uznaniem Komisji Europejskiej oraz partnerów za granicą, a ponadto znalazły wymierny efekt w licznych publikacjach w renomowanych czasopismach naukowych. Wysoka ocena prac prowadzonych przez polskie zespoły badawcze znalazła również odzwierciedlenie w nowym kształcie programu poprzez znaczący udział polskich grup badawczych w projektach Konsorcjum EUROfusion. Program Konsorcjum EUROfusion tworzą 32 pakiety badawcze, które odzwierciedlają zasadnicze cele MDF i które zaakceptowane zostały przez Komisję Europejską, zgodnie z rekomendacjami Niezależnej Grupy Ekspertów (również spoza Europy), która oceniała założenia Kontraktu Badawczego EUROfusion. Ponadto, kwalifikacja udziału zespołów badawczych do realizacji poszczególnych zadań w projektach EUROfusion odbywała się na zasadzie konkursów, w których brano pod uwagę kompetencje i osiągnięcia naukowe grup badawczych.

IFPiLM jest głównym polskim ośrodkiem prowadzącym badania w zakresie fuzji jądrowej, w wersji MCF (z magnetycznym utrzymaniem plazmy). Program EUROfusion jest ukierunkowany przede wszystkim na ten typ badań. Instytut jest też jedynym w Polsce ośrodkiem naukowym prowadzącym badania związane z opracowaniem syntezy termojądrowej z wykorzystaniem laserów (ICF – ang. Inertial Confinement Fusion). Zadania związane z ICF są również częścią propozycji IFPiLM i realizowane są w ramach pakietu badawczego WPENR (ang. Enabling Research).

W 2022 r. wniosek obejmuje jedno zadanie związane z rozwojem diagnostyk promieniowania VUV dla tokamaka JT-60SA, który znajduje się w Japonii. Zadanie to realizowane jest w ramach pakietu Eurofusion SA: Preparation of exploitation of JT-60SA i jest kontynuacją zadania z poprzedniego roku.

Dotacja przyznana w ramach programu: Projekty Międzynarodowe Współfinansowane

Nazwa projektu: Udział IFPiLM we Wspólnym Europejskim Programie Wspólnoty EURATOM powołanym rozporządzeniem Rady UE nr 2021/765 z dnia 10 maja 2021, uzupełniającym program Horyzont Europa

Umowa nr 5220/HEU-Euratom/2022/2

Wartość dofinansowania: 2 720 363 zł
Całkowita wartość projektu: 4 432 336 zł

Czas realizacji: 2021 r.

Opis projektu:
Projekt dotyczy kontynuacji badań naukowych i technologicznych związanych z europejskim programem fuzji termojądrowej realizowanych w programie H2020. Program ten jest częścią Ramowego Programu Naukowo-Badawczego Unii Europejskiej na lata 2021-2025 (Horyzont Europa) i jest realizowany przez Europejskie Konsorcjum EUROfusion w ramach Kontraktu Badawczego (grant nr 101052200) przyznanego przez Komisję Europejską na realizację Wspólnego Programu Europejskiego (EJP – ang. European Joint Programme) pt. „Implementation of activities described in the Roadmap to Fusion during Horizon Europe through a joint programme of the members of the EUROfusion consortium”.

Termojądrowa konwersja energii (fuzja jądrowa) jest w stanie w bardzo dużym stopniu przyczynić się do zaspokojenia wzrastających potrzeb światowych w zakresie zaopatrzenia w energię elektryczną produkowaną w warunkach bezpiecznych dla ludności i przyjaznych dla środowiska. Chociaż wizja komercyjnego dostępu do elektryczności otrzymywanej za pomocą fuzji jest wciąż odległa, to trzeba pamiętać o tym, że do tego czasu potrzeba zastąpienia lub uzupełnienia tradycyjnych źródeł energii będzie jeszcze bardziej paląca niż obecnie. Badania w zakresie fuzji jądrowej mają wymiar światowy ze względu na to, że zaspokojenie potrzeb w zakresie energii ma wymiar globalny, a ponadto koszty tych badań przekraczają możliwości pojedynczego kraju. Środek ciężkości badań i rozwoju w zakresie fuzji jądrowej przesunął się obecnie z badań fizyki plazmy (bardzo gorącego zjonizowanego gazu), w której następuje reakcja syntezy lekkich jąder, w kierunku opanowania technologii niezbędnych do działania elektrowni, a także do opracowania materiałów odpornych na ekstremalne warunki panujące we wnętrzu reaktora. W związku z tym społeczność międzynarodowa podjęła kroki w tym kierunku wyrażające się w budowie eksperymentalnego reaktora termojądrowego ITER (Cadarache, Francja) i budowie Międzynarodowego Urządzenia do Badania Materiałów (ang. International Fusion Materials Irradiation Facility – IFMIF, Japonia; jak również IFMIF-DONES w Hiszpanii). Jeżeli oba te kroki będą realizowane równocześnie, to za mniej więcej 30 lat prototypowa elektrownia DEMO będzie mogła generować energię elektryczną na poziomie mocy rzędu gigawatów.

Komisja Europejska, postępując zgodnie z zaleceniem Niezależnej Grupy Ekspertów oceniającej program fuzyjny w Europie (tzw. Grupa Wagnera), stwierdziła potrzebę opracowania jeszcze w perspektywie programowej Horyzont 2020 ambitnej, ale realistycznej mapy drogowej, która zapewni produkcję energii elektrycznej z fuzji jądrowej do roku 2050. Mapa została opublikowana jako dokument porozumienia (i konsorcjum) EFDA (ang. European Fusion Development Agreement) pod koniec 2012 roku, a następnie została zaktualizowana przez konsorcjum EUROfusion w 2018 r. i stanowi obecnie podstawę europejskiego programu fuzyjnego na lata 2021-2025.

Zaktualizowana mapa drogowa badań nad syntezą jądrową konsorcjum EUROfusion (https://www.euro-fusion.org/eurofusion/roadmap/) ma na celu zdobycie wiedzy niezbędnej do rozpoczęcia budowy demonstracyjnej elektrowni termojądrowej (DEMO) pięć lat po uruchomieniu eksperymentalnego tokamaka ITER z pełną mocą. DEMO dostarczy energię elektryczną z syntezy jądrowej do sieci na początku drugiej połowy XXI wieku. Plan programu działania został określony w ośmiu różnych misjach, których celem jest realizacja działań opisanych w Mapie Drogowej w ramach programu „Horyzont Europa” poprzez wspólny program członków Konsorcjum EUROfusion, z następującymi celami nadrzędnymi:

1. Budowa i uruchomienie tokamaka ITER;
2. Zapewnienie powodzenia przyszłej eksploatacji ITER-a poprzez przygotowania i eksperymenty na obecnie działających urządzeniach;
3. Opracowanie projektu koncepcyjnego elektrowni termojądrowej DEMO;
4. Sfinalizowanie projektu i skonstruowanie źródła neutronów o energii 14 MeV (IFMIF-DONES);
5. Optymalizacja pracy stellaratora jako alternatywnego podejścia do elektrowni termojądrowej;
6. Wyszkolenie i przygotowanie pokolenia naukowców, inżynierów i operatorów urządzeń ITER i DEMO;
7. Promocja innowacyjności i konkurencyjności europejskiego przemysłu w technologii syntezy jądrowej i nie tylko.

W trakcie 9. programu ramowego Horyzont Europa nastąpi rozwój szeregu inicjatyw:

• Jako że pierwsze uruchomienie eksperymentalnego tokamaka ITER planowane jest pod koniec programu ramowego, konsorcjum EUROfusion będzie przygotowywać zaangażowanie UE, w tym Polski w fazę eksploatacji ITER-a, wspólnie z agencją Fusion for Energy (F4E).
• Projekt koncepcyjny elektrowni DEMO pod koniec programu Horyzont Europa zostanie zaawansowany do etapu, na którym oceny techniczne wykonalności, bezpieczeństwa, kwestie licencjonowania i koszty cyklu życia zostaną przedstawione przez panel tzw. Conceptual Design Gate Review
• W latach 2023-2025 odbędą się pierwsze kampanie fizyczne na tokamaku JT-60SA znajdującym się w Japonii, który jest jednym z kluczowych urządzeń na drodze do eksploatacji ITER-a. Konsorcjum EUROfusion będzie koordynować europejskie działania eksploatacyjne na tym urządzeniu.
• W 2023 r. planowany jest przegląd urządzeń fuzyjnych, którego celem jest wskazanie priorytetowych urządzeń w dalszej perspektywie, od 2025 r.
• W programie Horyzont Europa zbudowane i uruchomione zostaną dwa nowe europejskie tokamaki: Compass-Upgrade w Pradze, w Czechach oraz nadprzewodzący Divertor Tokamak Test (DTT) we Frascati we Włoszech. Oba urządzenia są w dużej mierze budowane z funduszy krajowych, jednak przewiduje się również zaangażowanie konsorcjum EUROfusion.
• W 9. Programie ramowym rozpocznie się budowa międzynarodowego źródła neutronów o nazwie International Fusion Materials Irradiation Facility – Demo Oriented NEutron Source (IFMIF-DONES).
• Pod koniec 2022 r. stellarator Wendelstein 7-X (Greifswald, Niemcy) wznowi swoją działalność z nowym aktywnie chłodzonym dywertorem, który umożliwi pracę stacjonarną we wszystkich odpowiednich skalach czasowych z wysoką wydajnością. Pod koniec programu Horyzont Europa zostanie przedstawiona strategia przejścia W7-X ze ściany węglowej w urządzenie ze ścianą wykonaną z metalu (np. wolframu).

Projekt odnosi się do powyższych celów nadrzędnych, wykorzystując postępy poczynione podczas realizacji programu w programie Horyzont 2020. Taka strategia pozwoli konsorcjum EUROfusion zająć się kluczowymi kwestiami istotnymi dla tokamaka ITER, podnosząc wysiłki w rozwoju elektrowni DEMO przy stopniowym zaangażowaniu przemysłu i zapewni z jednej strony wzajemne podejście do badań i rozwoju w dziedzinie syntezy jądrowej między obiektami eksperymentalnymi, a z drugiej ożywi teorię i symulacje numeryczne.

Dotacja przyznana w ramach programu: Projekty Międzynarodowe Współfinansowane

Nazwa projektu: Badania polarointerferometryczne strug plazmowych generowanych z tarcz gazowych i stałociałowych o różnej konstrukcji za pomocą promieniowania laserowego o umiarkowanej i relatywistycznej intensywności

Umowa nr 5205/CELIA/2021/0

Wartość dofinansowania: 940  437 zł
Całkowita wartość projektu: 1 497 126 zł

Czas realizacji: 2021-2022 r.

Opis projektu:

Fizyka wysokich gęstości energii (High Energy Density – HED) stwarza szerokie możliwości w badaniach dotyczących implementacji fuzji inercyjnej (IFE), modelowaniu zjawisk astrofizycznych, a także otwiera drogę dla innowacyjnych zastosowań związanych ze źródłami wysokoenergetycznych jonów, napędzanych ultrasilnymi laserami. Zainteresowanie to wynika z wielu możliwości zastosowania takich źródeł, w tym do protonowej radiografii, sondowania ultraszybkich zjawisk z dużą przestrzenno-czasową rozdzielczością, realizacji IFE za pomocą szybkiego zapłonu, fizyce jądrowej oraz zastosowaniach medycznych, np. w terapii hadronowej nowotworów. Większość z tych zastosowań wykorzystuje unikalne właściwości wiązek jonowych napędzanych laserem (wysoka energia i gęstość, ultraniska emitancja, mała rozbieżność), które mogą znacznie przewyższać te osiągane na kosztownych akceleratorach o częstotliwościach radiowych (RF). Jednakże główną trudnością związaną z badaniami w zakresie fizyki HED jest wytwarzanie silnych pól magnetycznych, które w przypadku modelowania ekstremalnych stanów materii wymagają ciśnień przekraczających milion razy ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi. Takie stany występują w plazmie termojądrowej gwiazd i w rdzeniach planet. W warunkach laboratoryjnych stany te można osiągnąć w plazmie generowanej za pomocą laserów dużej mocy, w której pola magnetyczne związane z wytwarzaniem takiej plazmy mogą osiągać wartość do kilkuset tesli. Zastosowanie do tego celu zewnętrznych generatorów pola magnetycznego z cewkami nie stwarza dużych możliwości, ponieważ mogą one generować impulsowe pola magnetyczne (w zakresie mikrosekundowym) o maksymalnej indukcji do kilkunastu Tesli.

Szczególnie interesującą alternatywą dla tradycyjnych generatorów pola magnetycznego są generatory optyczne oparte na tarczach typu kondensator-cewka (Capacitor-Coil Target – CCT), w których źródłem pola magnetycznego w cewce sprzężonej ze kondensatorem są spontaniczne pola magnetyczne (SPM) generowane w plazmie laserowej wytwarzanej pomiędzy płytkami kondensatora. Eksperymenty przeprowadzone w LULI i GEKKO-XII potwierdzają generowanie pól magnetycznych w cewce osiągających amplitudę kilkuset Tesli.

Szczególnie ważnym zagadnieniem w prowadzonych przełomowych eksperymentach w zakresie fizyki HED jest wiarygodny pomiar parametrów strumieni plazmowych, a w szczególności przestrzenno-czasowych rozkładów pól magnetycznych i koncentracji elektronowej odpowiedzialnych za emisję wysokoenergetycznych jonów. Do charakteryzacji tych pól stosowane są różne metody diagnostyczne, zarówno optyczne - bazujące na magnetooptycznym efekcie Faradaya, jak i spektroskopowe wykorzystujące rozszczepienie Stark-Zeemana, sondy magnetyczne i prądowe, a ostatnio korpuskularne – deflektometria oparta na prześwietlaniu badanej plazmy wiązką protonów.

Jednakże z pośród ww. metod pomiarów najbardziej wiarygodnym i innowacyjnym podejściem do pomiaru pól magnetycznych w plazmie laserowej okazała się interferometria kompleksowa, która w odróżnieniu od klasycznej polaro-interferometrii (bazującej na uzyskaniu informacji o polu magnetycznym na podstawie niezależnych obrazów polarogramu i interferogramu) pozwala otrzymać rozkład pola magnetycznego i odpowiadający mu rozkład koncentracji elektronowej w badanej plazmie bezpośrednio na podstawie analizy amplitudy fazowej obrazu tzw. interferogramu kompleksowego. Chociaż teoretyczne podstawy złożonej interferometrii są dobrze znane od wielu lat, podejście to nie było do niedawna efektywnie stosowane w plazmie laserowej. Po raz pierwszy ta innowacyjna metoda została implementowana w pomiarach spontanicznych pól magnetycznych (SPM) na układzie laserowym w PALS w Pradze (Prague Asterix Laser System) w ramach realizacji projektu LaserLab (PALS-2117) z udziałem grupy z IFPiLM. Ta diagnostyka była rozwijana w ramach kolejnych projektów LaserLab, a dotychczasowy dorobek w tym zakresie przedstawiony jest w pracach. Szczególnym osiągnięciem było zrealizowanie interferometrii kompleksowej w wersji 2-kadrowej w pomiarach testujących pracę tarcz typu SNAIL, opublikowanych w czasopiśmie Scientific Report, a następnie w wersji 3-kadrowej. Szczegóły metodologii kompleksowej interferometrii podsumowane zostały pracą doktorską.

Wykorzystaniem tej unikalnej diagnostyki w badaniach plazmy laserowej zainteresowany jest prof. Joao Santos z CELIA prowadzący badania na eksperymentach laserowych w LULI i CLPU w ramach projektów badawczych, czego potwierdzeniem jest MoU między IFPiLM i CELIA.

W związku z powyższym zgodnie z MoU realizowany będzie projekt badawczy pt: "Polar-interferometric studies of plasma streams generated from solid and gas targets of various construction under irradiation by moderate and relativistic intensity of laser pulses".

Proponowane badania prowadzone będą w ramach następujących dwóch projektów:

1. "Ion acceleration by ultra-intense laser interaction with high density gas jet - towards PW power regime" (Ref. Nr 00334-0101), który będzie realizowany w CLPU, a przedmiotem badań będą pomiary dynamiki pól magnetycznych i koncentracji elektronowej generowane przy oddziaływaniu wiązki lasera VEGA3 ze strumieniami gazowymi o wysokiej gęstości w zakresie petawatowych mocy lasera oraz
2. "Zeeman splitting in the UV range for characterization of laser-driven magnetic fields of 100s Tesla" (Ref. Nr 20-PS-F11), który będzie realizowany w LULI, a przedmiotem badań będą pomiary polaro-interferometryczne strumieni plazmowych generowanych z tarcz o różnej konstrukcji, a w szczególności typu capacitor-coil realizowane dla różnych warunków ich oświetlenia.

Kierownikiem obu projektów jest z prof. João Jorge Santos z Uniwersytetu w Bordeaux. Z tego powodu zakres tematyczny każdego projektu określony w tytule jest również podzadaniem związanym z projektem zgodnie z MoU. Głównym zadaniem realizowanym przy udziale grupy IPPLM (pod kierunkiem prof. Tadeusza Pisarczyka) będzie wdrożenie dwóch układów polaro-interferometrycznych na potrzeby dwóch ww. eksperymentów:

• 1-kadrowego kompleksowego interferometru wchodzącego jako sztandarowa diagnostyka w skład szerokiego układu diagnostycznego na eksperymencie w CLPU, umożliwiającego pomiar azymutalnych rozkładów pól magnetycznych i koncentracji w "jetach" o wysokiej gęstości elektronowej generowanych w reżimie relatywistycznych intensywności lasera VEGA-3, oraz
• 2-kanałowego układu polaro-interferometrycznego umożliwiającego jednoczesną rejestrację interferogramu kompleksowego oraz cieniogramu do kompleksowych badań tarcz typu CCT (do generacji silnych pól magnetycznych), które będą prowadzone w LULI.

Projekt realizowany jest w okresie od 1.01.2021 r. do 31.12.2022 r. Przewidywane są dwie sesje pomiarowe: 1) na eksperymencie w LULI oraz 2) na eksperymencie w CLPU. Implementowane diagnostyki testowane będą na układzie femtosekundowego lasera Ti:Sa w laboratorium Laserów Wielkiej Mocy w IFPiLM.

Zadania objęte niniejszym projektem realizowane będą przez:

1. Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, Warszawa (IFPiLM)
2. Centre Lasers Intenses et Applications - Université de Bordeaux (CELIA)

Dotacja przyznana w ramach programu: Projekty Międzynarodowe Współfinansowane

Nazwa projektu: Wzrost wydajności przyspieszania folii CD2 za pomocą tarczy typu "cavity" na układzie laserowym PALS

Umowa nr 5199/PALS/2021/0

Aneks nr 1 do umowy nr do umowy Nr 5199/PALS/2021/0

Wartość dofinansowania: 1 341 60 zł
Całkowita wartość projektu: 2 129 771 zł

Czas realizacji: 2021 - IX 2023 r.

Opis projektu:
Fast Ignition to koncept otrzymania kontrolowanej fuzji z inercyjnym utrzymywaniem plazmy (Inertial Confinement Fusion). Jednym z podejść tej metody jest zapewnienie grzania wcześniej skompresowanego rdzenia za pomocą wiązki wysokoenergetycznych cząstek, wprowadzonej do skompresowanej termojądrowej kapsułki z paliwem za pomocą koncentrującej fali uderzeniowej. Ostatnie badania nad fuzją laserową wskazują, że podstawowym problemem tego podejścia jest uzyskanie odpowiednio efektywnej, technicznie zoptymalizowanej krótkiej fali promieniowania laserowego. Użycie małej długości fali lasera gwarantuje głębszą penetrację (wyższą koncentrację krytyczną) promieniowania lasera w głąb napędzanej tarczy, a co za tym idzie, większą absorpcję i wyższą wydajność procesu napędzania. W takim zadaniu lasery typu KrF (λ1^KrF = 0.248 μm) wydają się być dobrym kandydatem do efektywnego napędzania. Otrzymane wyniki w napędzaniu tarcz foliowych, użytych w eksperymentach zapłonu uderzeniowego (Shock Ignition), są obecnie najlepszymi uzyskanymi w świecie wynikami. Dlatego wydaje się być uzasadnionym przeprowadzanie badań w innych ośrodkach laserowych, z użyciem innych systemów laserowych (o dłuższej fali wiązki laserowej), a także przeprowadzenie modelowania numerycznego takich eksperymentów oraz porównanie otrzymanych wyników z tymi uzyskanymi za pomocą laserów o krótszej fali.

Dotychczasowe projekty otrzymywania szybkich makrocząstek, oparte na klasycznym napędzaniu ablacyjnym, skupione były na otrzymywaniu wysokich prędkości, ale przy niskiej wydajności hydrodynamicznej lub (dla różnych wariantów tej metody) zwiększeniu wydajności procesu napędzania, ale bez gwarancji jednoczesnego uzyskania wysokich prędkości i gęstości napędzanych obiektów.

W ciągu ostatnich kilku lat przeprowadzono z udziałem lidera projektu kilka serii eksperymentów przyspieszania makrocząstek na laserze jodowym Prague Asterix Laser System (PALS, λ₁^PALS = 1.315 μm, Δt ≈ 300 ps), w których wykorzystano skuteczną metodę przyspieszania makrocząsteczek do dużych prędkości, przy wykorzystaniu ablacyjnego ciśnienia plazmy wytwarzanego przez zogniskowany impuls wiązki lasera dużej mocy wewnątrz tarczy typu "cavity", tj. metodę Cavity Pressure Acceleration (CPA), gdzie ciśnienie plazmy generowane w zamkniętej przestrzeni – we wnęce – przyspiesza folię pokrywającą ścianki wnęki.

Poprzedni projekt (PALS002514) udowodnił, iż metoda CPA zapewnia bardzo wysoką wydajność procesu napędzania makrocząstek, potwierdzoną wysoką wydajnością neutronową, porównywalną z najlepszymi wynikami dotychczas uzyskanymi w eksperymentach tego typu.

Głównym celem projektu PALS002750 jest udoskonalenie tarcz typu "cavity" w celu zminimalizowania strat ciśnienia/energii plazmy, do jakiej dochodziło w poprzedniej (choć wciąż bardzo efektywnej) konstrukcji tarcz.

Oczekuje się, iż przeprowadzone badania potwierdzą uniwersalność metody niezależnie od rodzaju wykorzystywanego układu laserowego oraz pozwolą na zwiększenie jej wydajności. Proponowane badania mają w znacznym stopniu charakter innowacyjny.

Dotacja przyznana w ramach programu: Projekty Międzynarodowe Współfinansowane

Nazwa projektu: Udział IFPiLM we Wspólnym Europejskim Programie Wspólnoty EURATOM powołanym rozporządzeniem Rady UE nr 1314/2013 z dnia 16 grudnia 2013, uzupełniającym program Horyzont 2020

Umowa nr 5181/H2020-Euratom/2021/2

Wartość dofinansowania: 951 816 zł
Całkowita wartość projektu: 2 031 823 zł

Czas realizacji: 2021 r.

Opis projektu:
Projekt dotyczy kontynuacji badań naukowych i technologicznych związanych z europejskim programem fuzji termojądrowej. Program ten jest częścią Ramowego Programu Naukowo-Badawczego Unii Europejskiej na lata 2014-2020 (Horyzont 2020) i jest realizowany przez Europejskie Konsorcjum EUROfusion w ramach Kontraktu Badawczego (grantu nr. 633053) przyznanego przez Komisję Europejską na realizację Wspólnego Programu Europejskiego (EJP – ang. European Joint Programme) pt. „Implementation of activities described in the Roadmap to Fusion during Horizon 2020 through a Joint programme of the members of the EUROfusion consortium”.

W związku z opóźnieniami spowodowanymi pandemią COVID-19, która wpłynęła na wiele pakietów roboczych programu EUROfusion oraz opóźnieniem gotowości eksperymentalnego reaktora JET do pracy z trytem, program został wydłużony na lata 2021-2022.

Termojądrowa konwersja energii (fuzja jądrowa) jest w stanie w bardzo dużym stopniu przyczynić się do zaspokojenia wzrastających potrzeb światowych w zakresie zaopatrzenia w energię elektryczną produkowaną w warunkach bezpiecznych dla ludności i przyjaznych dla środowiska. Chociaż wizja komercyjnego dostępu do elektryczności otrzymywanej za pomocą fuzji jest wciąż odległa o kilka dekad, to trzeba pamiętać o tym, że do tego czasu potrzeba zastąpienia lub uzupełnienia tradycyjnych źródeł energii będzie jeszcze bardziej paląca niż obecnie. Badania w zakresie fuzji jądrowej mają wymiar światowy ze względu na to, że zaspokojenie potrzeb w zakresie energii ma wymiar globalny, a ponadto koszty tych badań przekraczają możliwości pojedynczego kraju. Środek ciężkości badań i rozwoju w zakresie fuzji jądrowej przesunął się obecnie z badań fizyki plazmy (bardzo gorącego zjonizowanego gazu), w której następuje reakcja syntezy lekkich jąder, w kierunku opanowania technologii niezbędnych do działania elektrowni, a także do opracowania materiałów odpornych na ekstremalne warunki panujące we wnętrzu reaktora. W związku z tym społeczność międzynarodowa podjęła kroki w tym kierunku wyrażające się w budowie Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego (ang. International Tokamak Experimental Reactor – ITER, Cadarache, Francja) i budowie Międzynarodowego Urządzenia do Badania Materiałów (ang. International Fusion Materials Irradiation Facility – IFMIF, Japonia). Jeżeli oba te kroki będą realizowane równocześnie, to za mniej więcej 30 lat prototypowa elektrownia DEMO będzie mogła generować energię elektryczną na poziomie mocy rzędu gigawatów. W światowym projekcie ITER, wraz z UE i Japonią, które wspólnie stoją na czele tych badań, biorą udział także m.in. USA, Chiny, Korea Południowa, Indie. Głównym udziałowcem jest Wspólnota Euratom (46%), a budżet programu to 20 mld €.

ITER jest uwieńczeniem ponad 50 lat badań, w których liderem była i jest Unia Europejska będąca operatorem największego działającego obecnie doświadczalnego reaktora termojądrowego JET zlokalizowanego w Culham koło Oksfordu. W urządzeniu nazwanym Wspólnym Europejskim Torusem (JET – ang. Joint European Torus) udało się stworzyć warunki umożliwiające osiągnięcie stanu, w którym ilość energii pochodzącej z fuzji jest porównywalna z ilością energii dostarczanej do urządzenia w celu osiągnięcia temperatury inicjacji reakcji fuzji jądrowej.

Komisja Europejska, postępując zgodnie z zaleceniem Niezależnej Grupy Ekspertów oceniającej program fuzyjny w Europie (tzw. Grupa Wagnera), stwierdziła potrzebę opracowania w perspektywie programowej Horyzont 2020 ambitnej, ale realistycznej mapy drogowej, która zapewni produkcję energii elektrycznej z fuzji jądrowej do roku 2050. Mapa została opublikowana jako dokument porozumienia (i konsorcjum) EFDA (ang. European Fusion Development Agreement) pod koniec 2012 roku i stanowi obecnie podstawę europejskiego programu fuzyjnego. Mapa Drogowa dla Fuzji (dalej MDF) wyznacza główne cele, które są związane z budową, uruchomieniem i eksploatacją układu ITER oraz stworzeniem podstaw do budowy prototypowej elektrowni termojądrowej DEMO. W dokumencie tym uwzględniona jest także koncepcja komplementarna do tokamaka, a mianowicie stellarator. Największe w Europie urządzenie tego typu, stellarator Wendelstein 7-X, zostało zbudowane w ośrodku IPP Greifswald koło Rostocku, a pod koniec 2015 r. nastąpiło jego uruchomienie. Badania w zakresie energetyki termojądrowej są największym programem badawczym UE i drugim co do nakładów (po Międzynarodowej Stacji Kosmicznej) programem badań na świecie.

Badania prowadzone w Polsce w dziedzinie fuzji termojądrowej nabrały zasadniczo nowego wymiaru po roku 2005, co związane było z przystąpieniem kraju do Programu Ramowego Wspólnoty EURATOM, poprzez podpisanie Kontraktu Asocjacyjnego, którego stronami były Wspólnota EURATOM, reprezentowana przez Komisję Europejską, i Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM), który koordynował w latach 2005-2013 udział innych polskich placówek badawczych w tym przedsięwzięciu naukowym. Fakt przystąpienia do europejskiego programu fuzji termojądrowej stworzył zupełnie nowe perspektywy dla prowadzenia prac badawczych, zwłaszcza w zakresie dostępu do europejskich urządzeń i ośrodków badawczych, przyczyniając się do silnej integracji prac oraz intensywnej współpracy i realizacji spójnego programu w ramach wspólnie przyjętej strategii na poziomie krajowym oraz europejskim.

W 2014 roku Komisja Europejska dokonała zasadniczej reorganizacji programu fuzji jądrowej Wspólnoty Euratom polegającej na odejściu od programu opartego na kontraktach asocjacyjnych. W zamian Komisja Europejska postanowiła powierzyć realizację całości programu fuzyjnego w Europie konsorcjum EUROfusion, które utworzone zostało w lipcu 2014 r. przez laboratoria fuzyjne krajów członkowskich, będące sygnatariuszami dotychczasowego porozumienia EFDA. W ramach nowej struktury organizacyjnej IFPiLM został upoważniony przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego do reprezentowania polskiego środowiska naukowo-badawczego w tym projekcie i koordynowania całości badań fuzyjnych w Polsce. W tym celu w miejsce Asocjacji Euratom-IFPiLM powołane zostało Centrum naukowo-przemysłowe Nowe Technologie Energetyczne (CeNTE), skupiające potencjał badawczy z 17 instytucji naukowo-badawczych (+ Wrocławski Park Technologiczny oraz cztery firmy komercyjne: S2Innovation, InPhoTech, VoiceLab i Symkom-Ansys) w kraju. Nowa organizacja programu fuzyjnego w Europie stworzyła warunki dla kontynuacji programu w Polsce, pozwala ponadto polskim instytucjom badawczym na udział w bezprecedensowym przedsięwzięciu, jakim jest uzyskanie energii elektrycznej z fuzji magnetycznej. Ten wysiłek, realizowany w ramach programu zintegrowanego z partnerami z innych krajów europejskich, jest oczywiście przedsięwzięciem długofalowym ukierunkowanym na tym etapie na wsparcie prac dla projektu ITER, a w dalszej perspektywie na podjęciu przedsięwzięć związanych z DEMO. W miarę jak kierunki badań będą ewoluowały z zagadnień dotyczących nauk podstawowych do problemów z dziedziny nauk stosowanych i technologii, pojawią się niewątpliwie nowe możliwości dla transferu technologii i zaangażowania przemysłu w programie. Laboratoria tworzące konsorcjum EUROfusion opracowały wspólny program mający na celu realizację misji badawczych zdefiniowanych w Mapie Drogowej dla Fuzji; na realizację tego programu Komisja Europejska przeznaczyła znaczące środki finansowe (ponad 900 M€ w latach 2014-2020). Zgłoszony projekt jest częścią Kontraktu Badawczego pomiędzy Wspólnotą Euratom i Konsorcjum EUROfusion i dotyczy realizacji w IFPiLM, w roku 2021, prac naukowych i technologicznych związanych z europejskim programem fuzji termojądrowej. Planowane zadania i projekty badawcze są kontynuacją prac rozpoczętych w latach poprzednich (w ramach Kontraktu Asocjacyjnego w latach 2005-2013 i Kontraktu Badawczego w latach 2014-2020) i są skorelowane z długofalowym i wieloletnim europejskim programem badawczym w obszarze fuzji termojądrowej. Osiągnięte do tej pory rezultaty naukowe spotkały się z uznaniem Komisji Europejskiej oraz partnerów za granicą, a ponadto znalazły wymierny efekt w licznych publikacjach w renomowanych czasopismach naukowych. Wysoka ocena prac prowadzonych przez polskie zespoły badawcze znalazła również odzwierciedlenie w nowym kształcie programu poprzez znaczący udział polskich grup badawczych w projektach Konsorcjum EUROfusion. Program Konsorcjum EUROfusion tworzą 32 pakiety badawcze, które odzwierciedlają zasadnicze cele MDF i które zaakceptowane zostały przez Komisję Europejską, zgodnie z rekomendacjami Niezależnej Grupy Ekspertów (również spoza Europy), która oceniała założenia Kontraktu Badawczego EUROfusion. Ponadto, kwalifikacja udziału zespołów badawczych do realizacji poszczególnych zadań w projektach EUROfusion odbywała się na zasadzie konkursów, w których brano pod uwagę kompetencje i osiągnięcia naukowe grup badawczych.

IFPiLM jest głównym polskim ośrodkiem prowadzącym badania w zakresie fuzji jądrowej, w wersji MCF (z magnetycznym utrzymaniem plazmy). Program EUROfusion jest ukierunkowany przede wszystkim na ten typ badań. Instytut jest też jedynym w Polsce ośrodkiem naukowym prowadzącym badania związane z opracowaniem syntezy termojądrowej z wykorzystaniem laserów (ICF – ang. Inertial Confinement Fusion). Zadania związane z ICF są również częścią propozycji IFPiLM i realizowane są w ramach pakietu badawczego WPENR (ang. Enabling Research).

Plan badawczy na 2021 r. obejmuje pięć do pewnego stopnia niezależnych zadań, a mianowicie:

1. Rozwój i zastosowanie diagnostyk VUV i miękkiego promieniowania rentgenowskiego w układach z magnetycznym utrzymaniem gorącej plazmy.
2. Diagnostyki służące do pomiarów neutronów prędkich z reakcji syntezy ciężkich izotopów wodoru.
3. Rozwój i zastosowanie programów numerycznych, modelujących procesy fizyczne w układach z magnetycznym utrzymaniem plazmy.
4. Udział w badaniach na tokamaku JET i analizy wyników eksperymentalnych.
5. Badanie bezpośredniego i udarowego zapłonu termojądrowego fuzji inercyjnej: teoria, symulacje, eksperymenty oraz doskonalenie diagnostyk.

Na te zadania składają się w niektórych wypadkach dwa podzadania szczegółowe powiązane z programem roboczym Konsorcjum EUROfusion na lata 2021-2022.

Rodzaj dotacji budżetowej: dotacja celowa na realizację inwestycji związanej z działalnością naukową

Nazwa zadania: Modernizacja laboratorium Plasma Focus PF-1000U

Wartość dofinansowania: 639 000 zł
Całkowita wartość zadania: 710 000 zł

Czas realizacji: 2021-2023

Opis zadania:
Przedmiotem dofinansowania jest modernizacja pomieszczeń, w których znajduje się Laboratorium Plasma Focus PF-1000U, oraz wymiana i modernizacja układu zwieraczy (27 szt.) do baterii urządzenia PF-1000U.

Generator PF-1000U to największy obecnie na świecie generator plazmy typu plasma focus o energii 1 MJ zgromadzonej w baterii kondensatorów, mający status Specjalnego Urządzenia Badawczego (SPUB), którego koszty operacyjne finansowane są przez MNiSW. Plasma-Focus PF-1000U, ze względu na swoje parametry techniczne oraz nowoczesne wyposażenie diagnostyczne, jest urządzeniem unikatowym w skali światowej. Potwierdzeniem tej opinii jest udział laboratorium PF-1000U, jako pierwszej polskiej infrastruktury badawczej, w programie Transnational Access to Major European Infrastructures (FP6 - kontrakt nr. RITA-CT-2006-26095, akronim MJPF-1000). W ramach tego programu Komisja Europejska sfinansowała koszt realizacji szesnastu projektów badawczych zaproponowanych przez zespoły naukowców z sześciu państw (Anglii, Niemiec, Włoch, Rosji, Republiki Czeskiej oraz Estonii). Urządzenie wykorzystywane jest obecnie głównie do badań związanych z udziałem IFPiLM i innych ośrodków krajowych (NCBJ, Politechnika Warszawska, IFJ PAN w Krakowie) w europejskim programie fuzji jądrowej Wspólnoty Euratom, do końca roku 2013 na podstawie kontraktu zawartego z Komisją Europejską (Contract of Association Euratom-IPPLM Nr FU07-CT-2007-00061), od roku 2014 na podstawie Kontraktu Badawczego European Joint Programme Eurofusion. Generator plazmy PF-1000U jest także głównym urządzeniem badawczym zorganizowanego pod auspicjami UNESCO Międzynarodowego Centrum Gęstej Plazmy Namagnetyzowanej, działającego w strukturze IFPiLM. Generator PF-1000U przeszedł gruntowną modernizację (przed modernizacją miał symbol PF-1000).

Zakres robót remontowych obejmuje w szczególności:

1. W ramach robót rozbiórkowo-demontażowych m.in. skucie miejsc ze spękanymi tynkami na ścianach i sufitach, demontaż materiału wykończeniowego z posadzek (PCV), demontaż stolarki drzwiowej w pom. nr 23, demontaż elementów instalacji c.o. i ponowny montaż po pracach remontowych, demontaż płyt sufitu podwieszanego w pom. 215, demontaż wskazanych urządzeń/instalacji ze ścian i podłogi.
2. W ramach prac remontowych m.in. uzupełnienie tynków, miejscowe szpachlowania oraz wykonanie powłok malarskich, wykonanie 20 mm warstwy na posadzkach z samoczynnie wygładzającą się zaprawą do wylewania silnie obciążonych posadzek z zatopieniem istniejących blach miedzianych o funkcji uziemienia urządzeń, wykonanie wykładziny winylowej typu tarkett w pomieszczeniach nr 23, 137, 215, montaż nowej stolarki drzwiowej ocieplanej w pom. 23, malowanie balustrady stalowej otaczającej otwór w stropie w pomieszczeniu 136 i 215, zamurowanie wnęki w ścianie w pom. 23, podniesienie włazów do kanałów dla instalacji w posadzce.

W zakresie wymiany i modernizacji układu zwieraczy do baterii urządzenia PF-1000U projekt przewiduje wykonanie prototypu i sprawdzenie poprawności działania układu, a następnie demontaż starego układu zwieraczy oraz montaż nowego układu.

Dotacja przyznana w ramach programu operacyjnego Inteligentny Rozwój w ramach poddziałania 1.1.1. „Badania przemysłowe i prace rozwojowe realizowane przez przedsiębiorstwa”

Nazwa projektu: „Impulsowy napęd plazmowy do nano i mikro satelitów”

Umowa nr POIR.01.01.01-00-0857/19

Wartość dofinansowania: 5 648 049,68 zł
Całkowita wartość projektu: 4 847 271,26 zł

Czas realizacji: 1.04.2020 – 31.10.2023 r.

Opis projektu:
Celem projektu jest opracowanie i wdrożenie technologii impulsowego silnika plazmowego do nano i mikro satelitów zasilanego ciekłym paliwem.

Czas życia małych satelitów umieszczonych na niskiej orbicie okołoziemskiej w celach komercyjnych przeliczany jest przez dostawcę usług satelitarnych bezpośrednio na generowany dochód. Z tego względu istnieje silna potrzeba wykorzystania napędów rakietowych w celu przedłużenia życia satelity. Okazuje się jednak, że obecnie na rynku istnieje duży niedobór napędów dostosowanych do nano i mikro satelitów. Głównymi barierami ograniczającymi użycie dostępnych napędów w nano i mikro satelitach są ich zbyt duża masa, objętość oraz pobór mocy.

Impulsowy silnik plazmowy (PPT) będący rezultatem tego projektu będzie dostosowany do nano i mikro satelitów, zarówno pod względem parametrów technicznych, jak i ceny. Cechować go będą mała masa oraz objętość, bardzo niski pobór mocy, wysoka wydajność oraz stosunkowo niska cena odpowiadająca oczekiwaniom rynku.

W związku z tym proponowany silnik plazmowy odpowie na pilne zapotrzebowanie rynkowe ze strony zidentyfikownej grupy docelowej, którą stanowią integratorzy i producenci satelitów klasy nano oraz mikro. W szczególności będą to firmy prywatne istniejące lub dopiero wchodzące na rynek, oferujące usługi satelitarne za pomocą własnych satelitów, działające najczęściej w oparciu o ideę New Space, przez co są zainteresowane tanimi i wydajnymi rozwiązaniami przy produkcji własnych satelitów, wliczając w to silniki satelitarne. Liczebność grupy docelowej oszacowano na około 300 podmiotów.

Zgodnie z prognozami do 2025 roku na orbicie znajdzie się 2000-3000 nowych nano i mikro satelitów, a jeżeli trend się utrzyma, to do 2029 roku może to być nawet ponad 10 000 nowych satelitów w tym segmencie. Przewiduje się, że popyt na napędy do nano i mikro satelitów wzrośnie wraz z liczbą satelitów, postępującą komercjalizacją wynoszonych obiektów oraz wzrostem konkurencyjności na rynku napędów kosmicznych. Do roku 2025 potrzebnych może być około 750 napędów do nano i mikro satelitów (średnio 125 rocznie), natomiast do 2029 roku może być to już ponad 4000.

Według najlepszej wiedzy Wnioskodawców na rynku krajowym nie istnieje żaden dostawca napędów elektrycznych do satelitów nano oraz mikro. Proponowany napęd PPT byłby pierwszym polskim komercyjnym silnikiem satelitarnym. Nowością w skali rynku światowego jest zastosowanie do impulsowego silnika plazmowego ciekłego polimeru PFPE zamiast stałego bloku Teflonu jak to ma miejsce w obecnie oferowanych silnikach PPT. Dzięki temu proponowany silnik charakteryzować się będzie znaczącymi przewagami technicznymi nad produktami konkurencyjnymi, zarówno tymi oferowanymi obecnie, jak i rozwijanymi.

W porównaniu do głównych konkurentów, czyli producentów silników PPT dla nano i mikro satelitów, już prototypowa wersja silnika (TRL 3) opracowana przez IFPiLM wykazuje znacznie większą wydajność. Impuls właściwy dla silnika IFPiLM przekracza 1000 s, podczas gdy konkurencyjne produkty uzyskują około 500-600 s. Duża sprawność silnika przekłada się również na bardzo niski pobór mocy, co jest jedną z kluczowych potrzeb rynkowych segmentu nano oraz mikro.

Proponowany napęd będzie stanowić samodzielny zespół dołączany do szyny zasilającej satelity i jego centralnego komputera. Będzie się składał z pojedynczego modułu silnika, modułu paliwowego oraz modułu elektroniki zasilająco-sterującej, umieszczonych we wspólnej strukturze nieprzekraczającej rozmiaru 0.5U.

Dla osiągnięcia TRL 7 dotychczasowy układ laboratoryjny opracowany przez IFPiLM musi zostać zasadniczo poprawiony i przejść całą serię szczegółowych testów funkcjonalności, niezawodności i czasu życia w warunkach zbliżonych do eksploatacyjnych, w tym testy termiczne i wibracyjne. W ramach projektu zaplanowano równoległe prace B+R firmy Progresja Space oraz IFPiLM. Pomyślna realizacja prac B+R zaplanowanych w tym projekcie oraz udane wdrożenie produktu na rynek będzie miało znaczący wpływ na krajowy sektor kosmiczny oraz działalność Wnioskodawcy. Dla IFPiLM udane wdrożenie opracowywanej od koncepcji laboratoryjnej technologii będzie dużym prestiżem na arenie międzynarodowej i pozwoli uzyskać status jednej z wiodących jednostek naukowych w tym zakresie.