Polscy naukowcy i przedstawiciele przemysłu biorą udział w ogólnoeuropejskim projekcie o istotnym znaczeniu naukowym - budowie eksperymentalnego reaktora termojądrowego Wendelstein 7-X w Greifswaldzie w Niemczech.
Synteza termojądrowa jest zjawiskiem zachodzącym powszechnie we Wszechświecie. Stanowi główne źródło energii gwiazd, także naszego Słońca. Proces polega na łączeniu jąder lekkich pierwiastków, zazwyczaj izotopów wodoru, w cięższe jądra. Powstaje przy tym duża ilość energii. Już 50 lat temu naukowcy zapowiadali szybkie wykorzystanie tego zjawiska do produkcji taniej i bezpiecznej energii. Zadanie jest jednak wciąż trudne.
Współczesne elektrownie jądrowe uzyskują energię z rozszczepienia ciężkich pierwiastków. Gdyby udało się zbudować urządzenie efektywnie wytwarzające energię z syntezy termojądrowej ludzkość uzyskałaby dostęp do niewyczerpalnego źródła bezpiecznej energii. To ogromne wyzwanie technologiczne. Niemiecki projekt W7-X pomoże przy konstruowaniu reaktora ITER w Cadarache we Francji - w ten projekt zaangażowane są państwa z całego świata.
Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i dlatego się odpychają – aby doszło do ich połączenia muszą zbliżyć się na tyle, aby siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne. Niezbędnym warunkiem do tego jest prędkość (energia kinetyczna) jąder. Wysoką energię jąder uzyskuje się rozpędzając jądra w akceleratorach cząstek lub w bardzo wysokich temperaturach. Ponieważ mają one mniejszą masę niż suma mas składników, nadmiarowa masa zamienia się w ogromne ilości energii.
- Zadanie jest niezwykle trudne, bo protony w jądrach mają ten sam ładunek elektryczny, który silnie odpycha je od siebie” – mówi prof. Jacek Jagielski z z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku (IPJ). Aby doszło do syntezy termojądrowej, należy przezwyciężyć siłę tego odpychania. W tym celu paliwo należy doprowadzić do stanu plazmy o niezwykle wysokiej temperaturze. - O skali wyzwań świadczy fakt, że w poprzednim reaktorze, Wendelstein 7-AS, temperatura plazmy sięgała 79 milionów stopni. My nad tak gorącą materią musimy perfekcyjnie panować – podkreśla prof. Jagielski.
Eksperymentalny reaktor W7-X w Greifswaldzie, nad którym pracują także Polacy, powstaje w celu opracowania metod diagnostyki plazmy o tak ekstremalnie wysokiej temperaturze. Opracowane tu technologie i materiały zostaną wykorzystane m.in. przy budowie reaktora termojądrowego ITER, pierwszego urządzenia tego typu, które będzie wytwarzało więcej energii niż potrzeba do jego działania.
Polsce, udział w budowie reaktora W7-X gwarantuje proporcjonalny dostęp do eksperymentów, które będą w nim przeprowadzane, oraz zapewnia prawa do opracowanych tu wynalazków. - Udział w dużych projektach międzynarodowych ma kluczowe znaczenie dla naszej nauki” – mówi prof. dr hab. Grzegorz Wrochna z IPJ. - Dzięki pracom przy stellaratorze W7-X utrzymamy renomowaną pozycję polskiej fizyki na arenie międzynarodowej, a firmy z kraju zdobędą doświadczenia pozwalające konkurować na rynku światowym o udział w realizacji największych międzynarodowych przedsięwzięć, takich jak ITER czy akcelerator jonów i antyprotonów FAIR.
Obecnie syntezę termojądrową próbuje się przeprowadzać za pomocą dwóch typów urządzeń: tokamaków i stellaratorów. Tokamak ma komorę próżniową w kształcie torusa (obważanka), otoczonego silnymi magnesami. Plazma z izotopów wodoru, zawieszona w polu magnetycznym, jest podgrzewana do ekstremalnie wysokiej temperatury i musi być stabilizowana prądem płynącym przez tę plazmę, co stwarza dużo problemów natury technicznej. Największy konstruowany obecnie tokamak to reaktor termojądrowy ITER w Cadarache we Francji, przedsięwzięcie o zasięgu ogólnoświatowym, którego całkowity koszt wyniesie ponad 10 mld euro.
Drugim typem urządzeń do syntezy termojądrowej są stellaratory. Ich zaletą jest fakt, że plazma stabilizuje się sama, bez konieczności przepuszczania przez nią prądu. Aby uzyskać ten efekt, plazma musi być ukształtowana w sposób przypominający kilkukrotnie skręconą wstęgę Möbiusa. Wiąże się to z koniecznością budowy skomplikowanej komory, otoczonej cewkami magnesów o złożonych kształtach. Budowany za 2 mld euro stellarator W7-X w Greifswaldzie to największe urządzenie tego typu. Jego komora będzie ważyć ok. 800 t, a otaczające ją cewki wytworzą pole magnetyczne o indukcji aż 15 T (tesli; ziemskie pole magnetyczne, które obraca wskazówki kompasów, ma indukcję kilkaset tysięcy razy mniejszą). Przewiduje się, że stellarator W7-X w Greifswaldzie rozpocznie pracę w 2014 roku.
Oprac. Przemysław Goławski,
na pdst. materiałów Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku
