Naukowcom z Instytutu Fizyki Plazmowej im. Maxa Plancka udało się poprawić osiągi największego na świecie stellaratora Wendelstein 7-X ustanawiając przy tym rekord wydajności dla tego typu konstrukcji. W W7-X osiągnięto temperaturę plazmy sięgającą 40 milionów st. Celsjusza, a samą plazmę udało się utrzymać przez 26 sekund.

Stellarator Wendelstein 7-X znajduje się w Instytucie Fizyki Plazmowej im. Maxa Plancka w Greifswaldzie w Niemczech. Jego budowa pochłonęła około 370 milionów euro. W7-X pierwszy raz uruchomiony został w 2015 roku i od tamtej pory jest największym urządzeniem tego typu na świecie. Pracuje przy nim międzynarodowy zespół naukowców z wielu instytutów badawczych, w tym także z Polski.

Sama koncepcja stellaratora, jako urządzenia do przeprowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej, znana jest o dawna. Przedstawił ją amerykański astrofizyk Lyman Spitzer w 1950 roku. Pierwsze urządzenie tego typu powstało na Uniwersytecie Princeton kilka lat po opracowaniu koncepcji stallaratora, ale konstrukcja ta szybko została wyparta po tym, jak radzieccy uczeni przedstawili projekt tokamaka w 1968 roku.

Od tamtego czasu to tokamaki były preferowanymi konstrukcjami, w których próbowano przeprowadzić kontrolowaną reakcję termojądrową. Oba urządzenia różnią się budową. W uproszczeniu główną różnicą jest konstrukcja komory, gdzie uzyskiwana jest plazma. W stellaratorach ma ona postać kilkukrotnie skręconej wstęgi Möbiusa, podczas gdy w tokamakach ma ona kształt torusa. Zaletą pierwszej konstrukcji jest to, że plazma stabilizuje się sama, bez konieczności przepuszczania przez nią prądu. Wiąże się to właśnie z konstrukcją komory, która otoczona jest cewkami magnesów. Jednak sama budowa komory jest niezwykle skomplikowana.

 

Koncepcja stellaratorów wróciła do łask. Żywym dowodem na to jest stellarator Wendelstein 7-X, który w ostatnich latach przeszedł gruntowną przebudowę. Pierwsza runda doświadczeń po rozbudowie doprowadziły plazmę w reaktorze do wyższych temperatur i gęstości niż kiedykolwiek osiągnięto w stellaratorach. Teraz Instytut Fizyki Plazmowej im. Maxa Plancka poinformował o pobiciu poprzednich rekordów.

Wendelstein 7-X osiągnął temperaturę plazmy wynoszącą około 40 milionów stopni Celsjusza i gęstość 0.8 x 1020 cząstek na metr sześcienny. Plazmę udało się utrzymać przez 26 sekund, co w połączeniu z uzyskaną energią cieplną daje wyniki 18 razy lepszy od poprzedniego i przy okazji nowy rekord świata dla stellaratorów.

Od końca 2017 roku Wendelstein 7-X został poddany dalszej rozbudowie. Obejmuje one nowe urządzenia pomiarowe i systemy grzewcze. Ale poważniejsze prace mają ruszyć pod koniec tego roku. Grafitowe płytki z wnętrza komory, które niedawno zostały zainstalowane, zostaną zastąpione płytkami z włókna węglowego. Naukowcy mają nadzieję, że ta przeróbka pozwoli na znacznie dłuższe utrzymywanie plazmy.

Przy budowie Wendelstein 7-X swój wkład mieli także polscy badacze. W projekcie uczestniczy Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Politechnika Warszawska, Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, Uniwersytet Opolski i Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Świerku. Polska przeznaczyła na ten cel około 6,5 milionów euro.

Stellarator może w przyszłości posłużyć za prototyp elektrowni. Jeśli oczywiście uda się zapanować nad procesami syntezy termojądrowej. Reakcja termojądrowa, mówiąc w dużym uproszczeniu, polega na złączeniu się dwóch jąder lżejszych atomów (deuter, tryt) w jedno cięższe. Wyzwala się przy tym ogromna ilość energii. Jednak do sprawnego działania potrzeb bardzo wysokich temperatur.

Do przeprowadzenia syntezy termojądrowej (główne źródło energii gwiazd) potrzeba rozgrzać wodór do temperatury około 100 milionów stopni Celsjusza. Tylko wtedy lżejsze atomy będą mogły połączyć się w cięższy. A do utrzymywania plazmy w ryzach potrzeba potężnego i stabilnego pola magnetycznego.

Z jednego kilograma deuteru, który występuje naturalnie w wodzie morskiej, a tej jest pod dostatkiem, można by zasilić setki tysięcy domostw. Zapewnilibyśmy sobie bezpieczeństwo energetyczne na dekady. Dodatkową korzyścią jest właściwie brak odpadów z wytwarzanej w ten sposób energii. Jednak kontrolowanie tych reakcji to wciąż melodia przyszłości. Mimo że od przeszło pół wieku pracują nad tym najtęższe umysły na świecie, wciąż nie udało się osiągnąć znaczącego postępu.

 

 

 

 

Źródło: Instytut Fizyki Plazmowej im. Maxa Plancka, DziennikNaukowy