Technologia rozwijana od dawna
Prace nad reaktorami wykorzystującymi fuzję jądrową trwają od lat. Jedni naukowcy tworzą eksperymentalne wersje całych takich reaktorów. Za przykład weźmy ITER – największy na świecie tokamak, który wciąż jest budowany i który ma charakteryzować się wysokością 7-piętrowego budynku. Inni naukowcy skupiają się przedsięwzięciach nieco skromniejszych, ale znaczących wcale niemniej – próbujących popchnąć technologię do przodu. Do takich badaczy należy zespół uczonych z MIT, który właśnie dokonał istotnego przełomu. Stworzył on bowiem najsilniejszy na świecie nadprzewodzący magnes w swojej klasie.
Zespół, który stworzył magnes, pracuje nad projektem eksperymentalnego reaktora kontrolowanej fuzji jądrowej zaprezentowanym po raz pierwszy w 2015 roku. ARC (ang. affordable, robust, compact), bo tak brzmi nazwa reaktora, to tokamak w kształcie obwarzanka, który tak jak ITER ma za zdanie odtworzyć warunki panujące we wnętrzu Słońca – warunki pozwalające na łączenie się ze sobą atomów wodoru. ARC ma być jednak od ITERa o połowę mniejszy.
Zjawisko zasilające gwiazdy
Na czym polega proces fuzji jądrowej? Na złączeniu się dwóch lżejszych jąder atomów w cięższe, przy ewentualnym powstaniu obok nowych jąder też wolnych neutronów, protonów, cząstek elementarnych lub cząstek alfa. To właśnie proces fuzji jądrowej zachodzi w gwiazdach – za jego sprawą gwiazdy wytwarzają ogromne ilości energii i ciepła. Gdyby udało się zbudować działający reaktor działający na podobnej zasadzie, otrzymalibyśmy dostęp do czystej i wręcz nieograniczonej energii.
Niestety, proces fuzji jądrowej zachodzi w bardzo wysokich temperaturach. Temperatura ta sprawia, że atomy deuteru i trytu (izotopów wodoru) zamykane w reaktorach przybierają formę plazmy. Plazma topi wszystko, czego się dotknie, a więc aby nie weszła w kontakt ze ścianami reaktora, zamyka się ją w polu magnetycznym generowanym przez silne magnesy. Zatem, magnesy są kluczowymi elementami tworzącymi reaktory fuzji jądrowej takie jak tokamaki.
Magnetyczny przełom
Podczas gdy ITER ma wykorzystywać magnesy nadprzewodzące, które stają się nadprzewodnikami po schłodzeniu ich do temperatury około -269 stopni Celsjusza, naukowcy pracujący nad ARC pragną wykorzystać magnesy zwane nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi. Te pozwalają na wytworzenie znacznie silniejszego pola magnetycznego na mniejszej przestrzeni.
Badacze z MIT sięgnęli po komercyjnie dostępną, nawijaną na szpulę taśmę, która po rozwinięciu i w nieco wyższych niż w przypadku magnesów niskotemperaturowych temperaturach staje się nadprzewodnikiem i wytwarza silne pole magnetyczne. Gdyby ją udoskonalić, ta pozwoliłaby teoretycznie na stworzenie mniejszego i tańszego w budowie reaktora.
Naukowcy MIT, wraz ze start-upem Commonwealth Fusion Systems spędzili ostatnie trzy lata, próbując przekształcić taśmę w magnes o dużej mocy, który można by wykorzystać w urządzeniu o nazwie SPARC. SPARC ma być o połowę mniejszą, testową wersją ARC. Ich wysiłki zakończyły się sukcesem. Otrzymano bowiem magnes, który składa się na 267 kilometrów nadprzewodzącej taśmy tworzącej 16 płytek ułożonych razem w obudowie o kształcie litery D. Magnes ten jest schładzany do temperatury -254,15 stopni Celsjusza, w której staje się nadprzewodnikiem i wytwarza silne pole magnetyczne.
„Zbudowaliśmy jedyny w swoim rodzaju magnes nadprzewodzący”, powiedziała Joy Dunn z CFS. „Wiele wysiłku wymagało opracowanie unikalnych procesów produkcyjnych i sprzętu. Dzięki temu teraz jesteśmy jednak dobrze przygotowaniu do przyspieszenia prac nad SPARC.”
Nadzieja na przyszłość
Z pomocą nowego magnesu badacze z MIT zdołali wygenerować wyjątkowo silne pole magnetyczne – o indukcji magnetycznej 20 tesli. Nigdy wcześniej takiej siły nie osiągnięto w przypadku magnesu, który ma być wykorzystany w reaktorze fuzji jądrowej – to absolutny rekord.
Jak twierdzą twórcy magnesu, umożliwi on uzyskanie pola magnetycznego, które będzie równe polu obserwowanemu w przypadku reaktora 40 razy większego, wykorzysującego niskotemperaturowe magnesy nadprzewodzące. Kto wie, może w końcu pozwoli on zbudować reaktor fuzji jądrowej, którego użytkowanie byłoby opłacalne. Dotychczas takie reaktory zużywały więcej energii niż produkowały. Naukowcy są przekonani, że z czasem się to zmieni.
Źródło: MIT News, fot. tyt. Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC, 2021