Większość energii, która napędza życie i pogodę na Ziemi, pochodzi ze Słońca. To dzięki niemu paruje woda, wieją wiatry, rosną rośliny, działają panele fotowoltaiczne i w bardzo długiej skali czasu powstały paliwa kopalne. Nawet wtedy, gdy mówimy o energii wiatru, biomasy czy obiegu wody, bardzo często mówimy pośrednio o energii słonecznej.

Do górnej granicy atmosfery dociera średnio około 1,4 kilowata mocy promieniowania na metr kwadratowy powierzchni ustawionej prostopadle do promieni słonecznych. Ponieważ Ziemia jest kulą i obraca się, tylko część jej powierzchni jest w danej chwili oświetlona. Po uśrednieniu dla całej planety daje to około 0,34 kilowata na metr kwadratowy. Część tej energii odbijają chmury, atmosfera i powierzchnia Ziemi, część pochłania atmosfera, a reszta ogrzewa lądy i oceany. Uwzględniając wielkość naszej planety, w sumie Słońce dostarcza Ziemi moc rzędu 170 milionów gigawatów. To liczba tak wielka, że cała techniczna energetyka człowieka jest przy niej tylko cienkim dopiskiem.

Skąd bierze się ta energia? Nie ze spalania, choć na zdjęciach NASA czy ESA może zdawać się, że Słońce płonie. W jego wnętrzu zachodzi fuzja jądrowa: lekkie jądra atomowe łączą się w cięższe, a niewielka część ich masy zamienia się w energię. To proces znany z równania Einsteina E = mc². W Słońcu podstawową rolę odgrywa łączenie wodoru w hel. Pytanie nasuwa się samo: skoro prawie cała dostępna nam naturalna energia pochodzi z fuzji w gwieździe, czy nie dałoby się wytworzyć choć małej cząstki takiego procesu na Ziemi?

W ziemskich eksperymentach fuzyjnych najczęściej rozważa się łatwiejszą do uzyskania reakcję: połączenie deuteru i trytu, czyli ciężkich odmian wodoru. Trzeba ogrzać paliwo do temperatur rzędu dziesiątek milionów stopni. Wtedy atomy tracą elektrony i powstaje plazma - mieszanina swobodnych elektronów i jąder atomowych, często nazywana czwartym stanem materii. To już nie jest zwykły, spokojny gaz. Plazma przewodzi prąd, reaguje na pola magnetyczne, faluje, traci cząstki, wytwarza niestabilności i szybko oddaje energię do otoczenia. Przyszła elektrownia fuzyjna musi więc nie tylko uzyskać tak gorącą plazmę, ale także utrzymać ją z dala od ścian, kontrolować, stabilizować i bezpiecznie odprowadzać z niej energię.

Właśnie do takich testów służy MAST Upgrade, brytyjski sferyczny tokamak działający w ośrodku UK Atomic Energy Authority w Culham. Tokamak to urządzenie, w którym pole magnetyczne utrzymuje plazmę w zamkniętej komorze. MAST Upgrade nie jest jeszcze prototypem elektrowni, lecz bardzo wyspecjalizowanym laboratorium do sprawdzania, jak gorąca plazma zachowuje się w warunkach istotnych dla przyszłych urządzeń fuzyjnych. Badacze mogą tam zmieniać jej kształt, sposób ogrzewania, konfigurację pól magnetycznych i układ odprowadzania energii, a następnie obserwować, które rozwiązania poprawiają stabilność, a które prowadzą do strat cząstek albo nadmiernego obciążenia ścian.

Z tych prac wyłania się obraz fuzji jako problemu znacznie szerszego niż samo osiągnięcie wysokiej temperatury. Trzeba jednocześnie utrzymać energię w plazmie, ograniczyć gwałtowne zjawiska na jej brzegu, zrozumieć ucieczkę szybkich cząstek i bezpiecznie odprowadzić ciepło. Wyniki programu MAST Upgrade, podsumowane w czasopiśmie naukowym Nuclear Fusion (https://doi.org/10.1088/1741-4326/ae63e1), pokazują właśnie taki zestaw prób i ograniczeń. W badaniach uczestniczyli także naukowcy z polskich ośrodków: Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie oraz Uniwersytetu Opolskiego.

W przyszłym reaktorze fuzyjnym szybkie cząstki powstające w reakcjach powinny oddawać energię plazmie, pomagając podtrzymać jej temperaturę. Jeśli uciekają zbyt łatwo, plazma traci ogrzewanie, a ściany urządzenia mogą być narażone na nadmierne obciążenia. W MAST Upgrade podobne zjawiska badano za pomocą szybkich jonów powstających podczas ogrzewania plazmy. Sprawdzano m.in. ich straty związane z falami plazmowymi oraz oddziaływaniami z neutralnymi atomami. Innymi słowy: badano, którędy ucieka energia, która w przyszłym reaktorze powinna zostać w środku.

Drugim kluczowym zagadnieniem jest brzeg plazmy. Nawet jeśli jej gorące centrum jest dobrze utrzymywane przez pole magnetyczne, energia i cząstki muszą ostatecznie opuścić układ. W tokamaku służy do tego dywertor, czyli część urządzenia odbierająca ciepło, cząstki i zanieczyszczenia. MAST Upgrade pozwala testować różne konfiguracje dywertora. Celem jest stan, w którym strumień energii słabnie, zanim dotrze do powierzchni materiałowych. Z punktu widzenia przyszłej elektrowni to nie detal techniczny, lecz warunek przetrwania urządzenia.

Przyszła elektrownia fuzyjna będzie musiała jednocześnie utrzymywać gorącą plazmę i chronić ściany urządzenia przed zbyt dużym strumieniem energii. Badania w MAST Upgrade pokazują, że te dwa cele da się łączyć: można zachować dobre warunki w centrum plazmy, a jednocześnie osłabić jej kontakt z elementami dywertora. Sprawdzano też, jak za pomocą pompowania i sterowania dopływem gazu wpływać na to, gdzie plazma oddaje energię. To ważny krok w stronę urządzeń, które nie tylko wytwarzają gorącą plazmę, ale potrafią kontrolować sposób, w jaki energia z niej wypływa.

Osobnym wyzwaniem są gwałtowne wyrzuty energii z brzegu plazmy. W dużym reaktorze takie impulsy mogłyby nadmiernie obciążać dywertor. W MAST Upgrade sprawdzano sposoby ograniczania tych zjawisk. Udało się uzyskać warunki, w których wyrzuty były mniejsze albo zanikały, a także pokazać, że można je tłumić odpowiednio dobranymi zaburzeniami pola magnetycznego. Badano również nietypowe kształty plazmy, które mogą sprzyjać spokojniejszej pracy reaktora.

MAST Upgrade nie stał się miniaturową elektrownią. Jest urządzeniem badawczym, dzięki któremu można testować rozwiązania potrzebne w większych projektach: ITER, czyli międzynarodowym eksperymentalnym reaktorze fuzyjnym budowanym we Francji; DEMO, projektowanej elektrowni demonstracyjnej, która ma pokazać produkcję energii elektrycznej z fuzji; oraz brytyjskim STEP, czyli sferycznym tokamaku przeznaczonym do wytwarzania energii.

Tokamak MAST Upgrade pozwala sprawdzać, jak kontrolować plazmę, jak ograniczać jej niestabilności, jak zmniejszać straty szybkich cząstek i jak odprowadzać ciepło tak, aby nie zniszczyć ścian. Dopiero z takich szczegółów może powstać urządzenie, które kiedyś dostarczy energii nie z promieni Słońca, ale z procesu tego samego rodzaju, uruchomionego na Ziemi.

Krzysztof Petelczyc (PAP)

kmp/ bar/