Naukowcy testują rozwiązania dla przyszłych elektrowni termojądrowych

Wspólny Torus Europejski (JET) to eksperyment termojądrowy w kształcie tokamaka w kształcie pączka, zlokalizowany w Culham Center for Fusion Energy w Oxfordshire w Wielkiej Brytanii. Obiekt wykorzystuje pola magnetyczne do utrzymywania gorącego, zjonizowanego gazu (plazmy) z dala od wewnętrznych ścian pojemnika, umożliwiając bezpieczną pracę w temperaturze 150 milionów stopni Celsjusza – czyli dziesięciokrotnie wyższej od temperatury w jądrze Słońca.

JET rozpoczął działalność w 1983 roku jako wspólny projekt europejski. Później przeszedł kilka ulepszeń poprawiających jego wydajność. W 1991 roku JET stał się pierwszym na świecie reaktorem, w którym zastosowano mieszaninę trytu i deuteru w proporcjach 50-50. Placówka ustanowiła kilka rekordów w procesie syntezy jądrowej, w tym rekord plazmy Q (stosunek wytworzonej energii termojądrowej do energii zewnętrznej wprowadzonej do ogrzania plazmy) wynoszący 0,64 w 1997 r. oraz rekordową energię wyjściową energii termojądrowej wynoszącą 59 megadżuli przy energii pięciodniowej. drugi impuls w grudniu 2021 r.

Zbudowany przez Europę i używany wspólnie przez europejskich badaczy przez cały okres swojego istnienia, JET stał się własnością UKAEA w październiku 2021 r., w czerwcu tego roku obchodził 40. rocznicę swojego istnienia i zakończy działalność z końcem 2023 r.

Kampanię eksperymentalną w JET prowadziło ponad 300 europejskich naukowców uczestniczących w projekcie EUROfusion wraz z inżynierami i personelem naukowo-technicznym z Urzędu Energii Atomowej Zjednoczonego Królestwa (UKAEA). W akcji wzięła udział grupa polskich naukowców z Instytutu Fizyki Plazmy i Mikrofuzji Laserowej w Warszawie.

JET jest jedynym istniejącym obiektem, w którym można przeprowadzić dużą liczbę reakcji termojądrowych. Stosowana tam obecnie wysokosprawna mieszanka paliwowa deuter-tryt będzie wykorzystywana w przyszłych elektrowniach termojądrowych. Celem zakończonej kampanii eksperymentalnej było opracowanie technologii i metodologii potrzebnych w przyszłych elektrowniach termojądrowych.

Większość eksperymentów z syntezą termojądrową wykorzystuje wyłącznie paliwa takie jak wodór lub deuter. Aby maksymalnie zbliżyć się do warunków panujących w prawdziwej elektrowni termojądrowej, niezbędne są badania z użyciem mieszaniny deuteru i trytu.

„Eksperymenty w JET zoptymalizowały reakcje syntezy deuteru i trytu oraz opracowały techniki zarządzania zatrzymywaniem paliwa, wyczerpaniem cieplnym i ewolucją materiałów. Dostarczyło to kluczowych spostrzeżeń dotyczących projektowania i działania przyszłych reaktorów, takich jak międzynarodowy eksperyment ITER i demonstracyjna instalacja termojądrowa DEMO, a także wszelkich innych wysiłków na całym świecie mających na celu rozwój elektrowni termojądrowych” – stwierdzają naukowcy.

Wyjaśniając znaczenie kampanii eksperymentalnej, naukowcy połączyli przeszłość i przyszłość w badaniach nad syntezą termojądrową, mówiąc: „Kampania eksperymentalna opierała się na eksperymentach przeprowadzonych pod koniec 2021 roku, które poszerzyły naszą wiedzę na temat plazmy deuterowo-trytowej”.

Naukowcy przetestowali nowe koncepcje (opracowane na mniejszych europejskich tokamakach) na JET, początkowo z deuterem, a następnie z mieszanką paliwową deuter-tryt. Badania te są niezbędne, aby pomóc zrozumieć, w jaki sposób procesy obserwowane w mniejszych urządzeniach będą skalowane do większych przyszłych projektów syntezy jądrowej.

Zdaniem naukowców kampania oznacza postęp w pracach nad paliwem trytowym. „JET poczynił znaczne postępy w zarządzaniu komponentem paliwa trytowego, wprowadzając pionierskie nowe technologie monitorowania i czyszczenia, w tym laserowe metody diagnostyczne, takie jak LID-QMS (desorpcja indukowana laserem – kwadrupolowa spektrometria mas). Innowacje te mają kluczowe znaczenie dla przyszłego ITER operacji, zapewniając dokładne rozliczanie trytu i zwiększając bezpieczeństwo operacyjne”, podaje konsorcjum EUROfusion.

Dodaje: „Głównym sukcesem kampanii DTE3 była zdolność do odtworzenia eksperymentów z syntezą wysokoenergetyczną przeprowadzonych w ramach drugiej kampanii eksperymentalnej dotyczącej deuteru i trytu (DTE2) w 2021 r. To osiągnięcie podkreśla niezawodność i dojrzałość metod operacyjnych JET, które są niezbędne dla przyszłego powodzenia projektu ITER.”

Kampania obejmowała przetestowanie kilku scenariuszy operacyjnych w celu skutecznego zarządzania ciepłem odprowadzanym z gorącego, zjonizowanego gazu (plazmy) paliwa. Naukowcy skupili się na rozproszeniu energii na krawędzi plazmy, przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiego poziomu energii w rdzeniu plazmy, czyli równowagi krytycznej dla żywotności reaktora. Obejmowało to minimalizację lub eliminację impulsów energii wynikających z niestabilności krawędzi plazmy oraz wdrożenie innowacyjnych technik zarządzania obciążeniem cieplnym, takich jak wtryski gazów zanieczyszczających ze sprzężeniem zwrotnym w celu utworzenia zlokalizowanej strefy plazmy chłodnicy wokół punktu. Ponadto zespół zademonstrował sterowanie mieszanką paliwową DT w czasie rzeczywistym za pomocą wtryskiwanie gazu i zamrożonych granulek deuteru, co jest podstawową metodą kontrolowania reakcji termojądrowych. Postępy te mają kluczowe znaczenie dla pomyślnego działania przyszłych reaktorów termojądrowych.

Autorzy projektu wspominają także o pogłębianiu wiedzy na temat wpływu neutronów wysokoenergetycznych. „Koncentrując się na wpływie neutronów 14,1 MeV wytwarzanych w procesie termojądrowym, które przenoszą energię reakcji termojądrowych z plazmy, kampania zapewniła wgląd w ich wpływ na systemy chłodzenia i elektronikę, tę ostatnią we współpracy z CERN. Wiedza ta jest niezbędna do projektowania bezpieczniejszych i bardziej wydajnych przyszłych reaktorów termojądrowych” – piszą.

Polski Instytut Fizyki Plazmy i Mikrofuzji Laserowej, uczestnicząc we współpracy z JET, reprezentuje polskie środowisko naukowo-badawcze w projekcie konsorcjum EUROfusion oraz koordynuje badania nad syntezą termojądrową w Polsce. W tym celu powołano Centrum Naukowo-Przemysłowe Nowych Technologii Energetycznych (CeNTE), które łączy potencjał badawczy ponad 20 polskich instytucji, do których zaliczają się instytuty badawcze, uczelnie, instytuty PAN oraz przedsiębiorstwa przemysłowe. (PAPKA)

PAP – Nauka w Polsce

zan/ kap/

tr. RL