Tokamak czy stellarator: czym się różnią?

Co łączy obie maszyny

Paliwo do fuzji trzeba podgrzać do temperatury, w której atomy rozpadają się na plazmę z naładowanych cząstek, a żadna ściana nie przetrwałaby zetknięcia z nią. Obie maszyny radzą sobie z tym tak samo: naładowane cząstki poruszają się wzdłuż linii pola magnetycznego, więc silne pole uformowane w pierścień może trzymać plazmę z dala od ścian. EUROfusion nazywa to uwięzieniem magnetycznym – gorące cząstki plazmy siedzą w magnetycznej „klatce”. Samą ideę wyjaśniamy na stronie Jak działa tokamak.

Zwykły pierścień linii pola jednak nie wystarczy. Żeby klatka trzymała, linie pola muszą owijać się wokół pierścienia spiralnie, trochę jak paski na laseczce cukrowej. Prawdziwa różnica między tokamakiem a stellaratorem polega na tym, jak każde z nich to skręcenie uzyskuje.

Tokamak: prąd wewnątrz plazmy

Słowo „tokamak” to rosyjski akronim nazwy komory w kształcie torusa z cewkami magnetycznymi. Cewki stojące wokół pierścienia wytwarzają pole biegnące wzdłuż niego. Skręcenie daje drugi składnik: prąd elektryczny o natężeniu milionów amperów płynący przez samą plazmę. Instytut Fizyki Plazmy Maxa Plancka (IPP), który buduje oba rodzaje maszyn, ujmuje to krótko: tokamak wytwarza część magnetycznego uwięzienia prądem płynącym w plazmie.

Ten prąd indukuje cewka w otworze pierścienia – solenoid centralny – działająca jak uzwojenie pierwotne transformatora, którego uzwojeniem wtórnym jest plazma. W ITER, międzynarodowym tokamaku budowanym we Francji, solenoid centralny ma wzbudzić i podtrzymać prąd plazmy o natężeniu 15 megaamperów przez 300–500 sekund. W TCV tę samą rolę pełni cewka omowa (OH), a szesnaście cewek poloidalnych kształtuje plazmę (zob. Tokamak TCV).

Transformator może pchać prąd w jedną stronę tylko przez ograniczony czas, więc tokamak pracuje impulsami. IPP zaznacza, że tokamaki bez dodatkowych układów działają w trybie impulsowym. Takie układy istnieją: TCV już w 1999 r. przez 1,9 sekundy utrzymał prąd plazmy wytwarzany wyłącznie mikrofalami.

Stellarator: skręcenie wbudowane w cewki

Stellarator wymyślił w 1951 r. amerykański fizyk Lyman Spitzer. Nie ma transformatora ani wypadkowego prądu płynącego wokół plazmy. Według IPP spiralne skręcenie linii pola wytwarzają wyłącznie zewnętrzne cewki i właśnie dlatego stellarator nadaje się do pracy ciągłej.

Ceną jest geometria. Tokamak jest symetryczny: każdy przekrój pierścienia wygląda tak samo. Bez prądu w plazmie stellarator musi z tej symetrii zrezygnować, więc i cewki, i plazma przybierają skomplikowane, poskręcane kształty. IPP widzi w tej złożoności zaletę: dodatkowa swoboda ułatwia optymalizację pola magnetycznego. Znalezienie dobrego kształtu to zadanie matematyczne – zespół teorii stellaratorów IPP przez ponad dziesięć lat systematycznie szukał zoptymalizowanego pola, zanim zbudowano Wendelstein 7-X. Jego poprzednik, Wendelstein 7-AS, pracował w latach 1988–2002.

Wendelstein 7-X w liczbach

Wendelstein 7-X w Greifswaldzie, w północno-wschodnich Niemczech, IPP określa jako największe na świecie urządzenie fuzyjne typu stellarator. Pole magnetyczne o indukcji 3 tesli wytwarza 50 niepłaskich i 20 płaskich cewek nadprzewodzących, chłodzonych do około minus 270 stopni Celsjusza. Maszyna ma 16 metrów średnicy i 5 metrów wysokości, waży 725 ton, a objętość plazmy wynosi 30 metrów sześciennych. Pierwszą plazmę, z helu, uzyskano 10 grudnia 2015 r., a eksperymenty naukowe z wodorem ruszyły 3 lutego 2016 r.

Maszynę zaprojektowano do wyładowań trwających do 30 minut. W kampanii z 2025 r., zakończonej 22 maja 2025 r., przez 43 sekundy utrzymała rekordową wartość tzw. iloczynu potrójnego – gęstości razy temperatura razy czas utrzymania energii, kluczowej miary postępu w drodze do elektrowni – co jest rekordem dla długich wyładowań. Tzw. obrót energii, czyli dostarczona moc grzania pomnożona przez czas trwania, sięgnął 1,8 gigadżula przy plazmie trwającej 360 sekund.

IPP ostrożnie opisuje, co to znaczy. Przy krótkich wyładowaniach, trwających kilka sekund, wyraźnie prowadzą tokamaki – najwyższe wartości osiągnęły japoński JT-60U i brytyjski JET. Przy dłuższych IPP najpierw pisał, że prowadzi Wendelstein 7-X; w aktualizacji z czerwca 2025 r., po uwzględnieniu wyładowań JET trwających do 60 sekund, nazwał obie maszyny wspólnymi liderami.

Mocne i słabe strony

Zestawione obok siebie wyglądają tak:

• Tokamak: prostsze, symetryczne cewki i dziesięciolecia doświadczeń. EUROfusion nazywa go najbardziej zaawansowaną i najlepiej zbadaną konstrukcją urządzenia fuzyjnego. Ceną jest prąd w plazmie, który trzeba wytworzyć i kontrolować, oraz praca impulsowa, jeśli nie doda się układów podtrzymujących prąd.
• Stellarator: brak prądu w plazmie i możliwość pracy ciągłej. Ceną są skomplikowane cewki, trudne do zaprojektowania i wykonania, oraz mniejszy zasób doświadczeń; sam IPP zaznacza, że tokamaki są lepiej zbadane dzięki prostszej konstrukcji.

IPP pisze, że eksperymenty na Wendelsteinie 7-X mają sprawdzić, czy stellarator może być technicznie prostszą drogą do elektrowni fuzyjnej niż tokamak. Główną linią Europy – od JET przez ITER do planowanej elektrowni demonstracyjnej DEMO – pozostaje tokamak; w tej linii uczestniczą średnie maszyny, takie jak TCV (zob. Swiss Plasma Center).

Polski wątek w Greifswaldzie

Wendelstein 7-X częściowo montowali Polacy. Na mocy porozumienia z IPP z 2007 r. Instytut Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie zmontował w latach 2007–2012 system szyn prądowych zasilających cewki nadprzewodzące i wykonał ich połączenia elektryczne o bardzo małej rezystancji. Pomagał też projektować urządzenia i konstrukcje wsporcze dla zewnętrznego naczynia maszyny oraz wykonał 30 zestawów części mechanicznych do polichromatorów – przyrządów do diagnostyki plazmy.

Polscy badacze pracują także przy tokamakach, w tym przy TCV; szerszy obraz opisujemy w artykule Jak Polska uczestniczy w europejskich badaniach nad fuzją? A czy któraś z tych maszyn dała już więcej energii, niż zużyła – w artykule Czy fuzja dała już więcej energii, niż zużyła?