Nie tylko tokamak

TORPEX: plazma w prostym torusie

TORPEX to urządzenie do podstawowej fizyki plazmy, które pojawia się na osi czasu SPC w 2003 r. Fizycy nazywają taką konstrukcję prostym namagnesowanym torusem: to komora w kształcie pierścienia o promieniu wielkim 1 metra i promieniu małym 0,2 metra, otoczona 28 cewkami toroidalnymi i 4 cewkami pionowymi. Linie pola magnetycznego owijają się wokół pierścienia spiralnie, a urządzenie służy do badania fal i turbulencji określanych jako dryfowo-wymienne (drift-interchange).

Plazmę wytwarzają w niej mikrofale o częstotliwości 2,45 gigaherca – tej samej co w kuchence mikrofalowej – z wodoru, helu, neonu lub argonu. Jest znacznie chłodniejsza i rzadsza niż w tokamaku: temperatura elektronów wynosi około 5–10 elektronowoltów, a gęstość około 10¹⁶–10¹⁷ cząstek na metr sześcienny. Dzięki temu można szczegółowo badać turbulencje i niestabilności. SPC opisuje TORPEX jako jedno z niewielu w Europie urządzeń przeznaczonych do podstawowej fizyki plazmy, ważne dla plazmy kosmicznej i astrofizycznej, a także dla fuzji magnetycznej.

TORPEX może też pracować w układzie bliższym tokamakowi. Miedziany przewodnik z prądem do około 1 kiloampera dodaje kolejną składową pola magnetycznego, a w samej plazmie można indukować prąd tego samego rzędu.

Teoria i symulacje

Duża część fizyki plazmy dzieje się na komputerach. SPC ma osobny kierunek badań poświęcony teorii i symulacjom numerycznym, a już w 1995 r. zbudowało pierwszy masowo równoległy system obliczeniowy do badań nad fuzją.

Jednym z narzędzi jest GBS, kod udostępniany przez EPFL, który w trzech wymiarach symuluje turbulencje na brzegu plazmy w tokamaku. Używano go dla różnych geometrii pola magnetycznego, w tym dla „płatka śniegu” uzyskanego po raz pierwszy na TCV, i do symulacji samego TCV. Inny przykład tego, jak ta praca wspiera eksperymenty: sterownik oparty na sztucznej inteligencji, który w 2022 r. prowadził plazmę w TCV, przed użyciem na prawdziwej maszynie uczył się na symulatorze plazmy SPC (zob. Tokamak, który zmienia kształt).

Plazma w niskiej temperaturze

Nie każda plazma służy fuzji. Grupę plazmy przemysłowej SPC utworzyło już w 1989 r. Dziś jego kierunek badań poświęcony fizyce plazmy niskotemperaturowej i jej zastosowaniom, LTP2A, zajmuje się tym, jak taka plazma się zachowuje i jak oddziałuje z materiałami oraz organizmami żywymi.

Po stronie przemysłowej grupa rozwija technologie plazmowe, które usprawniają produkcję mikroelektroniki i zaawansowanych materiałów, we współpracy z firmami. Po stronie biologicznej laboratorium bioplazmy łączy fizykę plazmy, chemię plazmy i biologię, by badać, jak zimna plazma może bezpiecznie oddziaływać z organizmami żywymi – z możliwymi zastosowaniami w ochronie zdrowia, rolnictwie i biotechnologii. Te prace wracają też do fuzji: na urządzeniu RAID grupa rozwija nowe źródło jonów ujemnych do grzania wiązką neutralną.

SULTAN: testy nadprzewodników w Villigen

Elektrownia fuzyjna potrzebowałaby ogromnych magnesów nadprzewodzących. Elektromagnesy miedziane nie sprostałyby wymaganiom największych maszyn, dlatego ich cewki wykonuje się z nadprzewodników. W tokamaku taki magnes znajduje się około metra od plazmy o temperaturze około 150 milionów stopni, a sam jest schłodzony do 5 kelwinów.

Grupa nadprzewodnictwa SPC rozwija i testuje przewody do takich magnesów. Pracuje nie w Lozannie, lecz w Instytucie Paula Scherrera w Villigen, gdzie stanowisko SULTAN działa od 1992 r. SULTAN pozwala testować przewody w polu magnetycznym do 11 tesli, wytwarzanym przez sześć nadprzewodzących solenoidów, przy prądzie stałym do 100 kiloamperów, chłodzone nadkrytycznym helem o temperaturze 4,5–10 kelwinów. Na stałe pole można nałożyć pole zmienne i impulsowe.

SPC nazywa SULTAN stanowiskiem referencyjnym dla nadprzewodników ITER; testowano na nim także przewody do magnesów stellaratora Wendelstein 7-X. Grupa prowadzi też stanowisko JORDI, a kolejne, EDIPO 2, podaje jako budowane (stan na 3 listopada 2026 r.). Więcej o instytucie w Villigen piszemy w serwisie Villigen.science.

Jak to wszystko się łączy

Każdy z tych kierunków odpowiada na inną część tego samego pytania. TORPEX i grupa teoretyczna badają, jak turbulencje wynoszą ciepło z plazmy; TCV sprawdza, czy inny kształt plazmy może je okiełznać; SULTAN testuje przewody do magnesów przyszłych maszyn; a prace nad plazmą niskotemperaturową przenoszą fizykę plazmy do codziennej techniki. Podstawy, na których opiera się to wszystko, opisujemy na stronie Magnetyczna butelka na gwiazdę.