Eksperymentalny reaktor termojądrowy w Chinach, często nazywany „sztucznym słońcem”, osiągnął kluczowy kamień milowy w utrzymaniu plazmy o dużej gęstości powyżej wcześniej ustalonych limitów operacyjnych. Postęp ten przybliża ludzkość do długo oczekiwanego celu, jakim jest praktycznie niewyczerpana czysta energia, chociaż praktyczne zastosowania pozostaną poza zasięgiem przez dziesięciolecia.
Wyzwanie związane z syntezą jądrową
Fuzja jądrowa, proces zasilający Słońce, zapewnia obfitą energię bez odpadów radioaktywnych związanych z rozszczepieniem jądrowym lub emisją gazów cieplarnianych z paliw kopalnych. Jednak odtworzenie tego procesu na Ziemi jest niezwykle trudne. Jednym z głównych wyzwań jest utrzymanie stabilnej plazmy : przegrzanej substancji, w której atomy łączą się ze sobą. Plazma ma tendencję do stania się niestabilną przy dużych gęstościach, co powoduje zatrzymanie reakcji. Niestabilność tę reguluje tzw. granica Greenwalda.
Jak Chiny przekroczyły limit
Eksperymentalny zaawansowany tokamak nadprzewodzący (EAST) w Chinach przekroczył tę granicę, dokładnie kontrolując interakcję plazmy ze ścianami reaktora. Naukowcy dostroili początkowe ciśnienie gazu palnego i częstotliwość ogrzewania mikrofalowego, aby utrzymać stabilność plazmy przy gęstościach od 1,3 do 1,65-krotności wartości granicznej Greenwalda. Pozwoliło im to osiągnąć wcześniej przewidywany stan zwany „reżimem bez gęstości”, w którym stabilność jest utrzymywana nawet przy wzroście gęstości.
„Wyniki wskazują praktyczną i skalowalną ścieżkę przesuwania granic gęstości w tokamakach i zaawansowanych urządzeniach do syntezy plazmy spalającej”. — Ping Zhu, współautor badania
To nie pierwszy raz, kiedy limit Greenwalda został przekroczony. Podobne sukcesy odnieśli także ośrodek DIII-D amerykańskiej Agencji ds. Energii oraz badacze z Uniwersytetu Wisconsin-Madison. Jednakże sukces projektu EAST to pierwszy raz, kiedy plazma została utrzymana w trybie pozbawionym gęstości, co potwierdza teorię zwaną samoorganizacją ścian plazmy (PWSO). PWSO sugeruje, że zrównoważona interakcja między plazmą a ścianami reaktora może ustabilizować nawet niezwykle gęstą plazmę.
Dlaczego to jest ważne?
Badania nad syntezą termojądrową to powolny proces, krok po kroku. Chociaż do wykorzystania praktycznej energii termojądrowej potrzeba jeszcze kilkudziesięciu lat, przekroczenie limitu Greenwaldu jest ważnym krokiem naprzód. Zwiększona gęstość umożliwia częstsze zderzanie się atomów, zmniejszając energię potrzebną do zainicjowania samopodtrzymującej reakcji.
Chiny i Stany Zjednoczone współpracują nad Międzynarodowym Eksperymentalnym Reaktorem Termonuklearnym (ITER) we Francji, największym tokamakiem na świecie, który ma rozpocząć produkcję reakcji termojądrowych na pełną skalę do 2039 r. Postęp w obiektach takich jak EAST będzie miał bezpośredni wpływ na rozwój przyszłych reaktorów, przesuwając granice możliwości syntezy energetycznej.
Mimo sukcesów synteza termojądrowa pozostaje nauką eksperymentalną. Potencjał jest ogromny, ale nie rozwiąże obecnego kryzysu klimatycznego. Może jednak zapewnić zrównoważone źródło energii dla przyszłych pokoleń.
