Perspektywa energetyki jutra, z tanią, efektywnie generowaną energią dostarczaną przez reaktory termonuklearne, wciąż znajduje się w kategoriach wizji, nie konkretów. Być może jednak perspektywa ta właśnie się przybliża – i to zaskakująco szybko. Zawdzięczać to można dwóm nowym postępom w pracach nad reaktorami termojądrowymi i doprowadzeniem do tego, aby fuzja w nich zachodząca dała się kontrolować.
Jak wiadomo, głównym problemem, który fuzja jądrowa stawia przed naukowcami i konstruktorami, jest zagadnienie jej kontrolowania w sposób efektywny energetycznie – tak, aby energia uzyskiwana z tego procesu była w stosowny sposób większa niż energia wymagana do powstrzymania ultra-gorącej plazmy wirującej w tokamakach (czyli kolistych reaktorach fuzyjnych, w których bezpośrednio zachodzą reakcje termojądrowe) przed zniszczeniem całego urządzenia. Pracowano już nad wieloma rozwiązaniami, które przybliżają osiągnięcie tego celu – teraz zaś właśnie pojawiły się dwa nowe pomysły.
Wirująca plazma
Amerykański zespół z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) pod kierunkiem Erica Emdee’a rozwiązał zagadkę asymetrycznego obciążenia cieplnego w dywertorze tokamaka, wykorzystując dane eksperymentalne z tokamaka DIII-D w Kalifornii. Kluczowym czynnikiem okazała się prędkość rotacji toroidalnej plazmy w rdzeniu – 88,4 km/s. Wcześniejsze modele nie uwzględniały w pełni oddziaływania tej rotacji z dryfami poprzecznymi względem pola magnetycznego, co prowadziło do rozbieżności między symulacjami a obserwacjami.
W dywertorze cząstki plazmy, opuszczające rdzeń magnetyczny, uderzają w płyty metalowe w sposób nierównomierny: znacznie więcej trafia w tarczę wewnętrzną niż zewnętrzną. Zastosowanie kodu SOLPS-ITER do symulacji czterech scenariuszy (z i bez dryfów poprzecznych, z i bez rotacji) wykazało, że dopiero włączenie zmierzonej rotacji rdzenia pozwala na dokładne odwzorowanie rozkładu cząstek. Przepływ równoległy wzdłuż linii pola magnetycznego, generowany przez rotację rdzenia, ma porównywalny wpływ co dryfy poprzeczne.
Wyniki sugerujących to badań, opublikowane na początku kwietnia. umożliwiają precyzyjne prognozowanie zachowania dywertora w warunkach operacyjnych przyszłych reaktorów, co jest niezbędne do utrzymania integralności strukturalnej przy obciążeniach cieplnych rzędu megawatów na metr kwadratowy – a właśnie takie warunki generuje fuzja termonuklearna jako proces, i które stanowią jedne z większych wyzwań na drodze do jej skutecznego wykorzystania.
Fuzja w okowach z wolframu
Równolegle niemieckie konsorcjum badaczy z Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP), IoLiTec oraz Fraunhofer IPA opracowało nową metodę elektrochemicznego osadzania czystej warstwy wolframu na wewnętrznych ścianach reaktorów fuzyjnych. Metoda wykorzystuje bezwodne elektrolity na bazie cieczy jonowych i rozpuszczalników organicznych. Dotychczas osadzanie czystego wolframu metodą elektrochemiczną nie było możliwe ani w skali laboratoryjnej, ani przemysłowej, ponieważ niski potencjał nadnapięcia wodoru w elektrolitach wodnych powodował wydzielanie wyłącznie wodoru zamiast metalu.
Nowa technologia pozwala nanosić cienkie, jednorodne warstwy wolframu na podłoża z innych materiałów, zamiast wytwarzać całe elementy z masywnego wolframu – co mogłoby czynić całe przedsięwzięcie nieopłacalnym. Wolfram, pierwiastek o temperaturze topnienia powyżej 3000 °C, charakteryzuje się odpornością na obciążenia termiczne do 10 MW/m² na powierzchniach eksponowanych na plazmę, którą generuje fuzja termojądrowa. Jego zastosowanie jako powłoki ściany ogranicza erozję i degradację pod wpływem strumienia wysokoenergetycznych cząstek i ciepła.
Tradycyjne przetwarzanie wolframu jest nieekonomiczne ze względu na jego rzadkość (jedna milionowa skorupy ziemskiej), status minerału konfliktowego oraz trudności mechaniczne. Tymczasem elektrochemiczne osadzanie zmniejsza zużycie materiału i koszty, jednocześnie zachowując właściwości termiczne i mechaniczne na powierzchni.
Kropla do kropli
Oba osiągnięcia – precyzyjne modelowanie rozkładu ciepła w dywertorze tokamaka oraz skalowalna technologia powlekania wolframem – bezpośrednio adresują dwa kluczowe ograniczenia techniczne fuzyjnych reaktorów magnetycznych: zarządzanie odprowadzaniem mocy i trwałość materiałów pierwszej ściany. Rozwiązanie zagadki asymetrii w DIII-D umożliwia optymalizację geometrii dywertora w projektach takich jak ITER czy DEMO, natomiast niemiecka metoda elektrochemiczna otwiera drogę do ekonomicznej produkcji komponentów o wymaganej odporności termicznej.
Rozwiązania te, oparte na zweryfikowanych danych eksperymentalnych i symulacyjnych, zmniejszają lukę między laboratoriami a reaktorami demonstracyjnymi, choć naturalnie w pełni ujarzmiona fuzja termojądrowa nadal wymaga integracji tych rozwiązań w skali prototypowej. A potem – w przemysłowej. Jedno i drugie nie będzie ani proste, ani tanie – ale może nareszcie wykonalne.