Magnetyczna butelka na gwiazdę

Czym jest fuzja

W fuzji dwa lekkie jądra atomowe łączą się w cięższe i uwalniają energię. Tak dzieje się we wnętrzu Słońca, które według ITER co sekundę zamienia w hel około 600 milionów ton wodoru. Produkty fuzji ważą odrobinę mniej niż jądra, które weszły w reakcję, a ta brakująca masa uwalnia się jako energia – zgodnie ze wzorem Einsteina E = mc².

Na Ziemi za najłatwiejszą do przeprowadzenia badacze uważają reakcję dwóch odmian wodoru: deuteru i trytu. Razem dają jądro helu i neutron, który unosi większość energii. Spośród rozważanych reakcji ta daje najwięcej energii przy najniższej temperaturze.

Deuter można pozyskać z wody. Trytu w przyrodzie jest bardzo mało, dlatego planuje się wytwarzać go w samym reaktorze, z litu w jego ścianie.

Dlaczego musi być tak gorąco

Jądra atomowe mają ładunek dodatni i się odpychają. Żeby się połączyły, muszą zderzyć się na tyle szybko, by pokonać to odpychanie – a to znaczy, że paliwo musi być niezwykle gorące. We wnętrzu Słońca panuje około 15 milionów stopni Celsjusza. W laboratorium trzeba znacznie więcej: dla deuteru i trytu ITER podaje temperaturę 150 milionów stopni Celsjusza, dziesięć razy wyższą niż we wnętrzu Słońca.

W takiej temperaturze gaz staje się plazmą: elektrony oddzielają się od jąder, a paliwo jest mieszaniną naładowanych cząstek. Właśnie ten stan materii bada Swiss Plasma Center. Samej plazmy jest niewiele: EPFL zauważa, że gorąca plazma w tokamaku waży zaledwie kilka gramów.

Butelka z pól magnetycznych

Żaden materiał nie wytrzymałby zetknięcia z taką plazmą, a plazma natychmiast by się ochłodziła, gdyby dotknęła ściany. Naładowane cząstki poruszają się jednak wzdłuż linii pola magnetycznego. Tokamak wykorzystuje to, by zbudować magnetyczną klatkę. EUROfusion wyjaśnia, że słowo „tokamak” to rosyjski akronim opisujący komorę próżniową w kształcie torusa otoczoną cewkami magnetycznymi, i nazywa tokamak najbardziej zaawansowaną i najlepiej zbadaną konstrukcją urządzenia fuzyjnego.

Jak plazma wygląda w przekroju – okrągła, rozciągnięta, w kształcie litery D albo jeszcze dziwniejsza – zależy od cewek wokół niej. Właśnie ten przekrój TCV zbudowano po to, by go zmieniać.

Trzy rodzaje cewek

Magnetyczna klatka tokamaka powstaje z kilku zestawów cewek, które działają razem. Dobrze widać to na przykładzie ITER, międzynarodowego tokamaka budowanego we Francji:

• Cewki pola toroidalnego mają kształt litery D i stoją wokół pierścienia; wytwarzają pole toroidalne, biegnące wzdłuż torusa. ITER ma ich 18, każda waży około 330 ton, a maksymalne pole sięga 11,8 tesli.
• Solenoid centralny stoi w otworze pierścienia i wytwarza prąd elektryczny w samej plazmie. W ITER może podtrzymać prąd plazmy o natężeniu 15 megaamperów.
• Cewki pola poloidalnego to pierścienie wokół maszyny, które kształtują plazmę. ITER ma ich sześć; TCV, zbudowany do kształtowania plazmy, ma szesnaście.

W ITER duże cewki są nadprzewodzące – z niobu-cyny lub niobu-tytanu, chłodzone helem do około 4 kelwinów, czyli mniej więcej −269 °C. Nadprzewodniki do takich magnesów testuje się na stanowisku SULTAN należącym do SPC (zob. Nie tylko tokamak).

Dlaczego kształt ma znaczenie

Kształt plazmy wpływa na to, jak dobrze utrzymuje ona ciepło i ile tego ciepła wynoszą na zewnątrz turbulencje. Decyduje też o tym, jak gorący brzeg plazmy styka się ze ścianą. W większości tokamaków brzeg plazmy odprowadza się do osobnego obszaru, dywertora, żeby kontakt ze ścianą zachodził z dala od gorącej plazmy i żeby do środka dostawało się mniej zanieczyszczeń; SPC zaznacza, że plazma, która styka się bezpośrednio z ogranicznikiem (limiterem), ma duży napływ zanieczyszczeń i gorzej utrzymuje ciepło.

Eksperymenty na TCV z „płatkiem śniegu” i z ujemną trójkątnością dotyczą właśnie tych pytań: jak zatrzymać ciepło w środku i jak odprowadzić to, co trzeba, bez uszkodzenia maszyny.

Po co to wszystko: argumenty za fuzją

ITER tak streszcza powody, dla których bada się fuzję. Łączenie jąder uwalnia prawie cztery miliony razy więcej energii niż reakcja chemiczna, taka jak spalanie węgla, ropy czy gazu. Deuter można wydestylować z każdej wody, a według szacunków ITER lądowe zasoby litu wystarczyłyby elektrowniom fuzyjnym na ponad 1000 lat. Reakcja nie emituje dwutlenku węgla; jej głównym produktem ubocznym jest hel.

Są też argumenty dotyczące bezpieczeństwa. Według ITER w urządzeniu fuzyjnym nie ma ryzyka reakcji łańcuchowej, a w komorze w każdej chwili jest paliwa tylko na kilka sekund pracy. Fuzja nie wytwarza wysokoaktywnych, długożyciowych odpadów jądrowych, choć część elementów maszyny ulega aktywacji; zależnie od materiałów ściany powinny one nadawać się do recyklingu lub ponownego użycia w ciągu 100 lat.

Elektrowni fuzyjnej jeszcze nie ma. ITER to eksperyment, który ma pokazać, że fuzja jest wykonalna jako źródło energii, a sam ITER zaznacza, że kosztu energii elektrycznej z fuzji nie da się jeszcze oszacować.

Od eksperymentów do elektrowni

Średnie tokamaki, takie jak TCV, sprawdzają pomysły, które potem trafiają na większe maszyny. ITER, budowany w Cadarache we Francji, to wielki międzynarodowy eksperyment; DEMO to nazwa używana w Europie dla demonstracyjnej elektrowni, która ma powstać po nim. SPC uczestniczy w pracach nad oboma w ramach współpracy międzynarodowej; jego historię opisujemy na stronie Laboratorium fuzji nad jeziorem.