Mentionsy

Słuchasz audycji Kampus Nauka.

Odkrycia, badania i teorie podajemy w przystępnej formie w poniedziałki, środy i piątki o 13.

Podoba Ci się?

Daj znać, zasubskrybuj i zaobserwuj Radio Kampus.

Tym razem nie sportowy, nie żaden inny, ale rekord długości czasu, który udało się utrzymać plazmę we francuskim tokamaku, czyli reaktorze do zimnej fuzji.

Padło tutaj dużo trudnych słów, ale obiecuję zaraz wyjaśnić to.

Nie, nie zresztą z byle kim.

Moją rozmówczynią jest doktor habilitowana Agata Chomiczewska, profesor Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy im.

Sylwestra Kalickiego.

Dzień dobry.

Dzień dobry wszystkim.

W takim razie, żebyśmy sobie tak postawili jasno sprawę na początku już naszej dyskusji.

Czym dokładnie jest ta fuzja, o której tak mówimy i która pojawia się właśnie często w nagłówkach, w jakichś futurystycznych opowieściach, ale nie do końca chyba wiemy czym jest.

Tak, fuzja z reguły nam się kojarzy z jakimś łączeniem, prawda?

W naszej nauce fuzja termojądrowa jest to proces, w którym jądra lekkich pierwiastków łączą się ze sobą, tworząc jądro cięższego pierwiastka i w wyniku takiej reakcji też uwalniana jest energia.

Są to procesy, które zasilają Słońce, nasze gwiazdy,

I my chcemy przeprowadzić taką fuzję na Ziemi, bo wiemy, że w ciągu jednej sekundy na Słońcu 600 milionów ton...

Wodoru zamienianych jest na hel w wyniku szeregu reakcji i 4 miliony ton jest zamienianych na energię, więc widać, że jest to bardzo wydajny proces energetyczny.

My chcemy ten proces ściągnąć na Ziemię, żeby produkować energię elektryczną do naszych gniazdek.

Takim paliwem na Ziemi najlepszym do przeprowadzenia reakcji syntezy termojądrowej jest paliwo deuterowo-tretowe.

W wyniku reakcji powstaje hel i neutron.

Energia kinetyczna tego neutronu będzie zamieniana w energię ciepłą i będzie produkowany na bazie tej energii cieplnej prąd elektryczny, jak w zwykłych elektrowniach obecnych.

Jak słyszę o tym, że to jest proces, który zachodzi w słońcu, to wyobrażam sobie, że jest to jednak dosyć specyficzne środowisko zachodzenia reakcji i że pewnie nie jest łatwo uzyskać taki efekt na Ziemi.

Dokładnie, dokładnie tak.

Ta reakcja zachodzi w bardzo wysokich temperaturach.

Żeby doszło do reakcji syntezy deuteru i trytu potrzebujemy temperatur rzędu 150 milionów stopni Celsjusza.

Są to temperatury 10 razy wyższe niż w centrum Słońca, więc widać jakie to są ekstremalne warunki, które my musimy sprowadzić na Ziemię.

W dodatku materia w takich temperaturach jest w stanie plazmy i ta plazma nie jest stabilna.

Naukowcy pracują nad tym, żeby ją ujarzmić, żeby ją opanować, żeby ona była stabilna i jak najwięcej tych reakcji syntezy mogło zachodzić.

Czy mamy w takim razie jakiś, no właśnie nie wiem, czy materiał, czy jakiś sposób na to, żeby ta plazma faktycznie była utrzymana w jednym miejscu?

No bo tak jak sobie myślę, że jeżeli coś tak gorącego dotyka czegokolwiek, co znamy, no to nie jest to raczej potencjalna, nie jest to pożądana sytuacja.

Dokładnie, więc my mamy i testujemy urządzenia nazywane to kamakami.

Są to urządzenia z magnetycznym utrzymywaniem plazmy, czyli dzięki temu, że mamy specjalne cewki pola magnetycznego, możemy wytwarzać bardzo silne pole magnetyczne, które utrzymuje plazmy, czyli to paliwo, z dala od ścian reaktora.

I aby dostać takie wysokie temperatury, musimy podgrzewać to paliwo.

Do tego stosujemy różne systemy grzania, na przykład falami radiowymi.

Oczywiście w innych zakresach niż tutaj, w zakresie gigaherców, megaherców.

I odpowiednio grzejemy elektrony i jony w plazmie.

Więc widać, że da się to opanować, tylko pracujemy właśnie, żeby to było bardzo stabilne i efektywne.

Jak wpiszecie sobie w wyszukiwarkę tokamak, co ja zrobiłem właśnie, to zobaczycie takie urządzenie, które w środku wygląda trochę jak takie wnętrze pączka, to znaczy to jest taki kształt donata.

Rozumiem, że właśnie w tym ta plazma się tak utrzymuje, tak?

To znaczy ona jest takim pierścieniem, takim torusem wewnątrz, on się jakoś tak przemieszcza, czy jak to działa?

Dokładnie.

Cząstki znajdujące się w plazmie, czyli te jony i elektrony, one poruszają się wzdłuż linii pola elektrycznego.

I w tokamakach mamy różne cewki pola.

Pola poloidalnego, pola koloidalnego, toroidalnego i wypadkowym polem jest pole helikalne.

Więc dzięki temu polu helikalnemu cząstki

Krążą wokół linii pola, nie dotykając do ściany.

Oczywiście jest ważny ten czas utrzymywania, bo po pewnym czasie oczywiście cząstki uciekną nam, ale istotnym jest ten czas utrzymywania i ten właśnie sukces, który odniesiono na takomaku West jest bardzo dla nas znaczący.

Pokazuje, że możemy utrzymać cząstki stabilnie przez długi czas.

Mówiliśmy przed chwilą o tym, że mamy nowy rekord w długości pracy Tokamaka, ale z tego co słuchaliśmy sobie, znaczy rozmawialiśmy sobie jeszcze trochę poza anteną, to rozumiem, że to nie jest jedyny i tak można powiedzieć przełomowy krok milowy w tej technologii.

Tak, oczywiście.

Nasze konsorcjum Eurofusion, które jest europejskim konsorcjum i które zrzesza instytuty z całej Europy, osiągnęło w 2021 roku

Ogromny sukces bym powiedziała, bo ustanowiliśmy światowy rekord pod względem największej ilości energii termojądrowej wytworzonej właśnie w takim pojedynczym wyładowaniu NATO Kamaku JET w Wielkiej Brytanii.

I w ciągu takiego wyładowania uzyskaliśmy

Najpierw 59 megajuli energii, rok później 69 megajuli energii.

To prawie trzykrotnie było więcej niż w pierwszej kampanii z Deuterem Idrytem w 1997 roku.

Widać, że ten sukces był rozciągnięty na wiele lat.

I ten Tokamak Jet był jedynym do tej pory urządzeniem, który mógł pracować z paliwem deuterowo-trytowym, czyli takim paliwem, które będzie stosowane w przyszłych elektrowniach termojądrowych.

I to był nasz ogromny sukces.

Dla niektórych może się wydawać 69 megajuli.

No więc dzięki 69 megajulom, przekształcając to na to 5 sekund, otrzymamy ponad czy około 12 megawattów mega, czyli miliona wattów energii.

I możemy zasilić około 10 tysięcy mieszkań właśnie w ciągu tych pięciu sekund.

No to kamak Jet jest starym tokamakiem, był starym tokamakiem, bo już zakończył swoją działalność w poprzednim roku i tam mamy cewki pola magnetycznego miedziany i one się bardzo szybko nagrzewały i tylko mógł działać w takich wysokich ekstremalnych warunkach właśnie przez 5 sekund.

Utrzymywanie tej plazmy trwało 5 sekund.

Więc widać to, że osiągnęliśmy na Westie 22 minuty, to też jest sukcesem, aczkolwiek to GammaQuest jest trochę innym urządzeniem.

On już jest bardziej nowocześniejszy, ma cewki nadprzewodzące, także pewne elementy tego reaktora są chłodzone odpowiednio.

Dzięki temu to też wydłuża czas utrzymywania plazmy.

Co by pani wskazała jako większe wyzwanie teraz, albo może są porówni?

Czy to jest raczej kwestia właśnie utrzymania przez długi czas pracy tego reaktora, czy też właśnie uzyskanie powiedzmy większej wydajności, to znaczy żeby wyjąć z niego więcej energii niż do niego włożyć?

Obecnie największym wyzwaniem jest nadal utrzymanie tej kontrolowanej reakcji syntezy przez długi czas, a także uzyskanie dodatniego bilansu energetycznego, bo jeszcze na tych eksperymentach nie uzyskaliśmy dodatniego bilansu energetycznego, czyli musimy uzyskać więcej energii niż włożymy ją do podtrzymania samej reakcji.

I takie coś już chcemy uzyskać w tokamaku ITER, który jest obecnie budowany na południu Francji w Cadarache.

I ten bilans energetyczny ma być większy niż 10.

Zobaczymy, czy nam się to uda.

Oczywiście tokamak ITER będzie jeszcze eksperymentalnym reaktorem i dopiero po nim może powstaną pierwsze elektrownie już komercyjne.

Tak że to jest jeszcze w fazie eksperymentalnej.

Czyli jakbyśmy sobie wyobrazili taką elektrownię, która powstanie na bazie tej technologii, to ona działałaby na takiej zasadzie trochę jako konwencjonalne elektrownie, gdzie po prostu podgrzewamy przy pomocy tej energii wodę, która tam mienia się w parę i uruchamia jakieś turbiny, czy to jednak będzie kompletnie inna bajka?

Dokładnie tak.

Technologia będzie podobna, jedynie źródło tej energii będzie inne.

Obecnie znamy reaktory jądrowe, które działają na bazie rozszczepienia jąder atomowych.

Tutaj tym paliwem będzie deuteritryd i tak jak mówiłam, z reakcji powstanie neutron, który

Którego energia będzie zamieniana w energię ciepłą.

To ciepło będzie odprowadzane, będzie podgrzewało wodę.

Następnie woda będzie parowała, napędzała turbiny i turbiny będą generowały prąd elektryczny.

Także, ale na razie jeszcze w tej fazie eksperymentalnej w ITER-ze i na obecnych tokamakach my nie produkujemy prądu, tylko po prostu badamy te zjawiska, badamy plazmę w reaktorach i inne rzeczy, żeby z czasem właśnie wytworzyć tą technologię już dla komercyjnych elektrowni.

Jednym z takich głównych tematów, które porusza się zawsze przy rozmawianiu o energetyce, bez względu na to, jaka ona jest, czy to będzie elektrownia wiatrowa, węglowa czy atomowa, jest pytanie, skąd będziemy brać to paliwo.

No i wracamy do naszego wątku energii z fuzji i to samo pytanie pewnie i tutaj powinno paść.

Skąd można brać to paliwo?

To dosyć chyba niestandardowe, niekopalne paliwo.

Dokładnie.

Więc do przeprowadzenia reakcji jądrowej niezbędny nam będzie deuter i tryt.

Deuter, on występuje oblicie w wodzie morskiej.

Na przykład z jednego litra wody morskiej możemy wytworzyć 33 mg deuteru.

A jak wiemy, dwie trzecie powierzchni Ziemi to stanowi woda, więc tutaj deuter będzie łatwo dostępny, dostępny dla wszystkich.

Każdy będzie miał jakby równy dostęp, więc to jest też na plus.

Natomiast tryt on nie występuje w przyrodzie.

Obecnie tryt do naszych eksperymentów jest pozyskiwany z elektrowni kandu, elektrowni jądrowych kandu.

Jednak my rozważamy generowanie trytu bezpośrednio w reaktorze poprzez reakcję z litem.

Czyli jako produktu do naszej syntezy potrzebujemy litu, ale litu też jest lekkim metalem, który znajduje się w minerałach skorupy ziemskiej.

Może być on pozyskiwany z solanek, gli, mamy też złoża naturalne.

Więc zakłada się, że złoża litu, podobnie jak deuteru w wodzie morskiej, zapewnią nam tego paliwa dla elektrowni termojądrowych przez co najmniej dziesiątki tysięcy lat.

Więc tutaj możemy mówić, że o niewyczerpalnym i ogólnodostępnym źródle energii.

To znaczy, jeżeli bym ustawił tak między stabilnością reaktorów, a ilością energii, którą można z niej pozyskać, to czy technologia potrzebna do pozyskiwania deuteru i trytu właśnie w wydajny też sposób jest gdzieś w tym panteonie wyzwań?

Czy raczej to już jest coś, co pójdzie ogładko?

Tak, właśnie pozyskiwanie tego trytu jest naszym wyzwaniem.

My dopiero w reaktorze ITER, eksperymentalnym reaktorze, będziemy testować jeszcze komponenty płaszcze litowe, w których ten tryt będzie pozyskiwany.

Więc ta technologia jest wciąż w fazie badań i jeszcze nie została wdrożona na skalę przemysłową, więc my dopiero to będziemy badać.

To skoro już o badaniach mowa, to o panią i pani zespół w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy bym jeszcze zapytał i to jakie są teraz takie główne obszary badań, w których są niezbędne przełomy, żeby doprowadzić do tego finalnego produktu.

Przede wszystkim nasi naukowcy uczestniczą w opracowywaniu i optymalizacji różnych scenariuszy operacyjnych dla takich urządzeń jak tokamaki.

Budujemy też dla takich urządzeń różne diagnostyki, bo my musimy monitorować tą plazmę, jak ona się zachowuje.

Budujemy diagnostyki spektroskopowe do promieniowania gamma czy promieniowania neutronowego.

I też analizujemy różne dane z tych diagnostyk.

Jesteśmy specjalistami właśnie od spektroskopii, od bolometrii.

Także są osoby, które pełnią rolę lidera sesji eksperymentalnej, czyli osoby, które odpowiadają za cały eksperyment.

Także w naszym Instytucie są rozwijane, zaawansowane metody numeryczne, które pozwalają nam lepiej zrozumieć procesy zachodzące w Plaźmie.

Dzięki właśnie zasymulowaniu pewnych zjawisk jesteśmy też w stanie przewidzieć, co się stanie w innych urządzeniach, urządzeniach nowej generacji, gdy damy im takie, a takie parametry.

Więc to też jest naszą działką.

Ostatnim sukcesem też z udziałem pracowników naszego Instytutu było zastosowanie pewnej metody spektroskopii rozkładu indukowanego laserem LIMS do badania materiałów na tokamaku JET.

Badać retencję paliwa, bo jest to taki negatywny czynnik, który wpływa na żywotność komponentów i my możemy dzięki tej metodzie stwierdzić, ile tego trytu po kampanii deuterowo-trytowej na dżecie osiadło w ścianach.

Bo to będzie powodowało promieniotwórczość takiego materiału.

I to jest też ten taki może niepożądany efekt.

Małymi kroczkami i wielkimi sukcesami zbliżamy się w końcu do energii z fuzji.

Także za wszystkich badaczy oraz przede wszystkim za badaczy z Pani Instytutu trzymamy kciuki.

Doktor habilitowana Agata Chomiczewska, profesor Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy była moją rozmówczynią.

Bardzo dziękuję za rozmowę.

Dziękuję bardzo.