Sferyczny tokamak osiągnął krytyczną temperaturę plazmy

Kompaktowy, sferyczny tokamak ST40 firmy Tokamak Energy uzyskał temperaturę jonów wyższą niż 100 milionów Kelvinów (8,6 keV), co jest kamieniem milowym w technologii syntezy jądrowej. Artykuł naukowy poświęcony temu osiągnięciu został niedawno opublikowany przez Instytut Fizyki IOP. Temperatury jonów powyżej 5 keV nie były nigdy wcześniej notowane w żadnej sferycznej jednostce. Zostały wytworzone jedynie w bardziej gabarytowych urządzeniach o znacznie większej mocy grzewczej plazmy. Odpowiedni potrójny produkt syntezy jądrowej oblicza się na około 6×10^18 keV/m³. Wynik ten po raz pierwszy udowadnia, że termikę jonów adekwatną do komercyjnej syntezy w reaktorze magnetycznym można zrealizować w małym sferycznym tokamaku o wysokim polu magnetycznym. Dobrze to wróży obiektom do syntezy jądrowej opartym na takim reaktorze. Wiele korzystnych cech kulistych tokamaków czyni je atrakcyjnym wyborem do masowej produkcji energii termojądrowej. Sferyczne jednostki tego typu mają współczynnik kształtu plazmy (stosunek głównych do mniejszych promieni torusa plazmy) około dwóch lub mniej. Wykazują też lepszą stabilność oraz właściwości ograniczające plazmę w porównaniu z tokamakami o większym omawianym wskaźniku.

Niedawne przełomy w produkcji magnesów o dużym polu, zbudowanych z nadprzewodników wysokotemperaturowych (HTS) wraz z zasadniczo obiecującymi walorami sferycznej jednostki, torują drogę dla niewielkich zakładów termojądrowych, które mogą być tańsze. Tokamak Energy z siedzibą w Oksfordzie buduje komercyjne elektrownie danego rodzaju przy użyciu tej metodologii, opracowując sferyczne urządzenia z magnesami HTS w celu komercjalizacji syntezy jądrowej na całym świecie. Brytyjski Urząd Energii Atomowej wyodrębnił firmę w 2009 roku. Obecnie zatrudnia ona ponad 240 specjalistów z Wielkiej Brytanii i zagranicy. W wywiadzie dla EE Times, Steven McNamara (na zdjęciu po prawej), dyrektor naukowy w Tokamak Energy, powiedział, że przedsiębiorstwo ma 10-letnie doświadczenie w projektowaniu, budowaniu, obsłudze i sprawdzaniu rekordowych wyników przy użyciu tokamaków. McNamara zauważył jednak, że wciąż istnieją technologie, które muszą wynaleźć, a także wyzwania do pokonania. „Rozbiliśmy je na 11 elementów składowych, w tym cykl paliwowy, technologię magnesów nadprzewodzących wysokotemperaturowych, komponenty skierowane w stronę plazmy i ekranowanie” — wskazał. „Wierzymy, że zasilanie sieci w latach 30. XXI wieku jest możliwe. Departament Energii Stanów Zjednoczonych, główny gracz tego sektora, wyznaczył cel w postaci postawienia elektrowni termojądrowej i dołączenie jej do sieci w ciągu 10 lat. Wielka Brytania popiera fuzję. Kiedy masz za sobą duże kraje, dzieją się rzeczy takie jak SpaceX. Fuzja będzie działać”.

ST40 i proces fuzji

Proces syntezy jądrowej zasila słońce i gwiazdy, nie emituje dwutlenku węgla i ma praktycznie nieograniczone zasoby paliwa, a jednocześnie jest bezpieczny. Gdy deuter i tryt — dwa różne rodzaje wodoru — są podgrzewane w celu wygenerowania kontrolowanej plazmy w ogromnych temperaturach (wyższych niż w jądrze Słońca), łączą się, tworząc hel i uwalniając energię. Ta może być wykorzystana do wytwarzania ciepła i zasobów. Silne magnesy są używane do utrzymywania tej ogrzanej plazmy wewnątrz urządzenia znanego jako: „tokamak”, które ma kształt pierścienia. Zasoby termojądrowe mogą być spożytkowane do produkcji ciepła i energii elektrycznej w taki sam sposób jak w obecnych elektrowniach. W przeliczeniu na kilogram paliwa, synteza jądrowa jest milion razy bardziej wydajna niż spalanie węgla, ropy czy gazu. „Jeden kilogram paliwa fuzyjnego uwalnia taką samą ilość energii, jak użytek około 10 milionów kilogramów węgla” — powiedział McNamara. „Nic nie może z tym konkurować. Fuzja będzie wspierać walkę ze zmianami klimatycznymi i uzupełniać, a nie rywalizować z innymi odnawialnymi źródłami energii w ramach zrównoważonej przyszłości o zerowej emisji netto”. Sto milionów stopni Celsjusza jest ważne dla energii termojądrowej, ponieważ przekracza próg wymagany dla jej uwolnienia. „Paliwa termojądrowe, które zamierzamy wykorzystać w elektrowniach — deuter i tryt — łączą się ze sobą przy tej termice, generując ogromne zasoby. Te mogłyby zostać przekształcone w energię elektryczną dla sieci” — dodał.

Tokamak ST40 jest sześciokrotnie gorętszy od wnętrza Słońca. Szereg systemów diagnostycznych służy do pomiaru różnych parametrów, które są następnie użytkowane do kontrolowania, optymalizacji i zrozumienia plazmy. Na przykład sterowanie magnetyczne w czasie rzeczywistym i rekonstrukcja magnetyczna po impulsie wykorzystują wszystkie czujniki pola magnetycznego i strumienia. Ich wewnętrzny kod rekonstrukcji określa położenie i kształt środka ciężkości plazmy w czasie rzeczywistym.

Dwa interferometry — system submilimetrowy (SMM) działający przy około 1 mm i bliskiej podczerwieni (NIR) operujący przy spożytkowaniu światła o długości fali 1 μm oraz 1,5 μm — mierzą gęstość elektronów wzdłuż promienia i płaszczyzn stycznych reaktora. Wizualny spektrometr pomiarowy i diody z filtrem liniowym monitorują zanieczyszczenia cząstkami o niskim Z i emisję promieniowania hamowania (tzw. Bremsstrahlung). Podczas gdy styczna kamera do obrazowania z wykorzystaniem miękkiego promieniowania rentgenowskiego (SXR) z 10-μm okienkiem berylowym weryfikuje moc promieniowania. 15-kanałowy analizator mierzy strumienie neutralnych cząstek wodoru o energiach w zakresie od 1 keV do 41 keV w celu określenia funkcji szybkiego rozkładu jonów. Kamery o wysokiej rozdzielczości i częstotliwości obrazowania (10 kHz), a także te Dα (1 kHz) obejmują główną komorę i górne/dolne rozdzielacze. Jednostki na podczerwień rejestrują środkową kolumnę i strefy dywersyjne reaktora.

Spektrometr rentgenowski o wysokiej rozdzielczości spektralnej (XRCS) analizuje temperatury elektronów i jonów w obszarze rdzenia z pojedynczym promieniem, obserwując promieniowo płaszczyznę środkową. Każdy strzał wymaga krótkiego przedmuchania systemu argonem.



„Jedna z metod wykorzystuje technikę zwaną spektroskopią, w której światło emitowane z plazmy jest spożytkowywane do określenia jej temperatury” — tłumaczy McNamara. „Od tego czasu ST40 został zmodernizowany o nowy rozpraszający system laserowy Thomsona o dużej mocy. Zapewnia on jeszcze lepszy wgląd w zachowanie plazmy, mierząc zarówno termikę, jak i gęstość w wielu punktach. Jest to ważne dla informowania i doskonalenia projektów elektrowni”.

ST40 to mały sferyczny tokamak o silnym polu magnetycznym, z miedzianymi uzwojeniami. Plazma w ST40 ma główne promienie o wielkości 0,4–0,5 m, współczynniki kształtu 1,6–1,9, prądy plazmy na poziomie 0,4–0,8 MA i toroidalne pola magnetyczne na osi o natężeniu 1,5–2,2 T. Dwie neutralne wiązki wtryskiwane są stycznie w kierunku płynięcia plazmy z mocą 0,9 MW przy 55 kV i 0,7 MW przy 24 kV podczas pracy w deuterze. Temperatury jonów węgla wynoszą około 9,2 keV. Określona jest za pomocą systemu do spektroskopii rekombinacji z wymianą ładunku (CXRS), z najbardziej centralną linią widzenia nieco poza osią magnetyczną, przez wstrzyknięcie 1,6 MW neutralnych wiązek deuteru do plazmy deuterowej o objętości 0,9 m3. Prąd plazmy wynosi 0,6 MA, a toroidalne pole magnetyczne wzdłuż osi: 1,9 T, zgodnie z artykułem. Odpowiada to termice jonów pierwotnych stanowiącej 9,6 keV obliczonej przy użyciu TRANSP i centralnej temperaturze zanieczyszczeń: 9,8 keV, określonej przy pomocy modeli diagnostycznych. Niepewność wywnioskowanych wskazań dla temperatur centralnych (zanieczyszczeń i wodoru) jest poniżej 10%, a wątpliwość w kwestii wartości zmierzonej CXRS to mniej niż 5%. Według naukowców jest to najwyższa termika jonów, jaką kiedykolwiek wytworzył sferyczny tokamak lub jakikolwiek inny o porównywalnej wielkości. Jednakże, według zespołu naukowego, tylko urządzenia o objętości plazmy ponad 15 razy większej niż ST40 i o znacznie wydatniejszej mocy grzewczej były w stanie osiągnąć równoważne temperatury jonów w przeszłości. Termiki te uzyskano w ustawieniach trybu gorącego jonu, w którym ich temperatura jest często dwa lub więcej razy wyższa niż ta elektronów.

McNamara wyjaśnił, że proces wstrzykiwania wysokoenergetycznych wiązek neutralnego wodoru służy do podgrzania plazmy do bardzo wysokiego zakresu — zachodzi wówczas oddziaływanie z plazmą i przenoszenie tej energii. „Innym sposobem na to jest użycie fal elektromagnetycznych dostrojonych do częstotliwości, które rezonują z cząstkami w plazmie w celu przekazania zasobów” — dodał.



McNamara uważa, że kompaktowe, sferyczne tokamaki — zamiast pierścienia — z magnesami HTS, to optymalna droga. „Istnieje wiele różnych podejść. Sferyczna jednostka jest znacznie bardziej wydajna niż tradycyjny projekt, przy niższych inwestycjach kapitałowych, kosztach operacyjnych i mniejszej powierzchni” — powiedział. „Niedawno ogłosiliśmy nasz przyszły plan działania dotyczący kolejnej fazy rozwoju w kierunku konkurencyjnej, komercyjnej syntezy jądrowej. Nasza pilotażowa elektrownia ST-E1 zademonstruje zdolność dostarczania zasobów do sieci na początku lat 30. XXI wieku — do 200 MW energii elektrycznej netto. Nie chodzi nam tylko o udowodnienie, że potrafimy robić fuzję — to nie wystarczy. Naszą misją jest posiadanie rozwiązania, które może być tanie i naprawdę możliwe do wdrożenia w wielu krajach, ponieważ jest to potrzebne”.

Potencjalne aplikacje

Elektrownie termojądrowe można podłączyć do tradycyjnej turbiny w celu produkcji energii elektrycznej, ale jak wyjaśnił McNamara, istnieje wiele zastosowań przemysłowych poza siecią. „Każdy proces wymaga ciepła, np. topienie metalu, odsalanie wody, produkcja wodoru czy zrównoważone wytwarzanie paliwa lotniczego” — oznajmił. „Może to być ogromny wzrost rynku, który można włączyć, jeśli masz możliwe do wdrożenia źródło energii termojądrowej i ciepła. Odnawialne źródła są niezbędne, ale potrzebujesz także niezawodnego zasilania, które możesz uruchomić, kiedy chcesz. Gdy nie świeci słońce lub nie wieje wiatr”. Zdaniem naukowców, ST40 to najmniejsza jednostka, która osiągnęła temperaturę 100 milionów stopni, demonstrując potencjał sferycznego tokamaka jako wydajnej, praktycznej i opłacalnej opcji dla komercyjnych elektrowni termojądrowych.

Źródło: https://www.eetimes.com/spherical-tokamak-achieves-crucial-plasma-temperatures/