Raport o stellaratorach. Kiedy możemy liczyć na fuzję jądrową?
Świat wciąż czeka na fuzję jądrową i wciąż nie może się jej doczekać. Najbardziej znanym projektem jest budowany we Francji tokamak ITER. Ruszy za około 10 lat. Jednak ITER to reaktor badawczy. Ma dopiero dostarczyć danych do zbudowania pierwszej elektrowni demonstracyjnej, która prześle energię do sieci. Konkurencyjnym dla tokamaków rozwiązaniem są stellaratory. Niedawno informowaliśmy, że stellarator, w który zainwestowała Polska, pokonał tokamaki w kluczowym parametrze fuzji jądrowej, a nieco wcześniej rozwiązano w nim ważny problem od dekad trapiący stellaratory – znaleziono sposób na załatanie „magnetycznej butelki”
Eksperci z organizacji EUROfusion opublikowali właśnie raport, z którego możemy dowiedzieć się, jak blisko jesteśmy do budowy HELIAS DEMO, reaktora termojądrowego opartego na stellaratorze. Z raportu wynika, że wiemy już bardzo wiele, ale kluczowych rzeczy wciąż nie rozumiemy wystarczająco dobrze.
Stellarator to urządzenie, które utrzymuje plazmę w temperaturze setek milionów stopni za pomocą precyzyjnie ukształtowanych cewek magnetycznych. W przeciwieństwie do tokamaka stellarator nie potrzebuje prądu płynącego przez plazmę, by ją kontrolować. Teoretycznie może więc pracować w trybie ciągłym, bez groźby nagłych zakłóceń. Najważniejszym i najnowocześniejszym na świecie stellaratorem – tym w który zainwestowała Polska – jest Wendelstein 7-X (W7-X) w Greifswaldzie. To właśnie on jest główną platformą do badań nad tego typu reaktorami.
Raport EUROfusion systematyzuje luki wiedzy w pięciu dziedzinach, oceniając każdą na skali gotowości naukowej (Subjective Science Readiness Level - SSRL) od 1 (hipoteza bez szczegółowych badań) do 9 (problem rozwiązany).
Pierwsza z dziedzin dotyczy scenariusza operacyjnego. Ciekłe paliwo, czyli mieszanina deuteru i trytu, ma być wstrzykiwane do plazmy w postaci zamrożonych granulek. Problem polega na tym, że naukowcy wciąż nie potrafią dokładnie przewidzieć, jak głęboko granulka wniknie w gorącą plazmę, zanim odparuje, ani jak będzie przemieszczał się powstały z niej obłok plazmy. To przekłada się bezpośrednio na kontrolę gęstości plazmy, od której zależy cały bilans energetyczny. Dojrzałość naukowa tego zagadnienia oceniana jest na SSRL 1, najniższą możliwą wartość.
Drugi obszar to cząstki szybkie i fale Alfvéna. W reaktorze fuzyjnym hel powstały w reakcji deuteru z trytem unosi energię i podtrzymuje temperaturę plazmy. Jednak te szybkie jony muszą być sprawnie utrzymane w polu magnetycznym. Teoria przewiduje, że przy wysokim ciśnieniu plazmy ich uwięzienie się poprawia, wciąż jednak brakuje eksperymentalnego potwierdzenia tego zjawiska w stellaratorze. Jednocześnie obawiano się, że fale Alfvéna, rodzaj oscylacji magnetycznych, mogą wyrzucać szybkie jony ze struktury pola, co oznaczałoby utratę mocy i zwiększenie obciążenia ściany reaktora, co przekłada się na skrócenie jej żywotności i negatywnie wpływa na bezpieczeństwo.
Trzecia dziedzina to transport ciepła i cząstek w plazmie. Plazma wciąż drga, tworzy wiry. Przewidywanie temperatury i gęstości w środku plazmy wymaga niezwykle złożonych modeli. Naukowcy dysponują pewnymi narzędziami, ale konieczne jest sprawdzenie ich w praktyce na danych z W7-X. Tutaj, w zależności od zagadnienia, dojrzałość rozwiązania oszacowano na od 1 do 4.
Problem czwarty, stabilność magnetohydrodynamiczna przy wysokim beta, to być może problem najbardziej podstawowy. Beta to stosunek ciśnienia plazmy do ciśnienia pola magnetycznego. Z jednej strony wartość ta powinna być jak najwyższa, bo wraz z nią rośnie wydajność reaktora. Jednak przy zbyt wysokim beta maleje stabilność plazmy. Tutaj dojrzałość naukowa została oceniona na 3.
Piąty obszar obejmuje diwertory i oddziaływanie plazmy ze ścianą. Diwertor to „układ wydechowy” reaktora. Wyłapuje uciekające z plazmy cząstki i ciepło, by nie uszkodziły reaktora, i kieruje je w specjalny region, gdzie można je bezpiecznie odebrać. Diwertor w stellaratorze to spory problem, a naukowcy bardzo słabo rozumieją zachowanie takiego układu. Proponowane koncepcje tego rozwiązania oceniono na 2 w skali dojrzałości naukowej. Autorzy raportu na 5 oszacowali poziom zrozumienia erozji wolframu, materiału, z którego zbudowane są ściany reaktora, ale już rozumienie ile tego wolframu trafi do wnętrza plazmy oceniono na 2. A to niezwykle ważne, bo każdy atom wolframu chłodzi plazmę, może więc dojść do zatrzymania reakcji.
Większość kluczowych problemów plasuje się dziś między 1 a 4. Wendelstein 7-X to najważniejszy obecnie instrument naukowy, który może w najbliższych latach dać odpowiedzi na niektóre z zasygnalizowanych pytań.
Tutaj omówiliśmy tylko najważniejsze zagadnienia z raportu. Jego pełną wersję udostępniono na stronie EUROfusion.
Komentarze (0)