Jak działają reaktory termojądrowe typu Tokamak – i jak blisko jesteśmy celu

Maszyna, która zamyka gwiazdę w butelce

Od ponad siedmiu dekad naukowcy gonią za zwodniczo prostą ideą: odtworzyć proces, który zasila Słońce i pozyskać praktycznie nieograniczoną, czystą energię. Wiodącym urządzeniem w tych dążeniach jest tokamak – maszyna w kształcie pączka, która wykorzystuje pola magnetyczne do utrzymywania plazmy rozgrzanej do setek milionów stopni. Wraz z kilkoma dużymi tokamakami, które są obecnie w budowie lub zbliżają się do wytworzenia pierwszej plazmy, długo obiecywana era energii termojądrowej jest bliżej niż kiedykolwiek.

Czym jest Tokamak?

Nazwa pochodzi od rosyjskiego akronimu – toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami – oznaczającego „toroidalną komorę z cewkami magnetycznymi”. Tokamak, wymyślony w latach 50. XX wieku przez radzieckich fizyków Andrieja Sacharowa i Igora Tamma, szybko okazał się najskuteczniejszym sposobem na utrzymanie plazmy termojądrowej i pozostaje dominującą konstrukcją na całym świecie.

W swojej istocie tokamak to puste, pierścieniowe naczynie próżniowe otoczone nadprzewodzącymi magnesami. Magnesy te generują nakładające się pola – toroidalne (biegnące wzdłuż pierścienia) i poloidalne (biegnące w poprzek) – które skręcają się razem w helikalną klatkę, utrzymując przegrzaną plazmę zawieszoną z dala od ścian naczynia.

Jak to działa, krok po kroku

Najpierw powietrze i zanieczyszczenia są wypompowywane z komory próżniowej. Niewielka ilość paliwa wodorowego – zazwyczaj deuter i tryt, dwa ciężkie izotopy wodoru – jest wtryskiwana w postaci gazu. Silny prąd elektryczny jonizuje gaz, oddzielając elektrony od jąder i tworząc plazmę.

Pomocnicze systemy grzewcze następnie podnoszą temperaturę plazmy do temperatur syntezy jądrowej: między 150 a 300 milionów °C, czyli około dziesięć razy więcej niż w jądrze Słońca. Metody obejmują wtrysk wiązki neutralnej, która wystrzeliwuje wysokoenergetyczne cząstki do plazmy, oraz ogrzewanie radiowe, które pompuje energię podobną do mikrofal.

W tych ekstremalnych temperaturach jądra deuteru i trytu pokonują swoje naturalne odpychanie elektryczne i łączą się, tworząc jądro helu, wysokoenergetyczny neutron i wybuch energii. Neutrony uciekają z klatki magnetycznej, uderzają w otaczający płaszcz i zamieniają swoją energię kinetyczną w ciepło – które następnie może napędzać konwencjonalną turbinę parową w celu wytwarzania energii elektrycznej.

Dlaczego magnesy są kluczowe

Plazma w temperaturach syntezy jądrowej odparowałaby każdy materiał, z którym się zetknie. Rozwiązaniem tokamaka jest wykorzystanie magnetyzmu zamiast ścian. Im silniejsze pole magnetyczne, tym ciaśniejsze utrzymanie plazmy – i tym mniejsza może być maszyna, przy jednoczesnym osiągnięciu warunków syntezy jądrowej. To spostrzeżenie doprowadziło do rewolucji w wysokotemperaturowych nadprzewodzących (HTS) magnesach, które generują znacznie silniejsze pola niż starsze magnesy miedziane lub niskotemperaturowe nadprzewodniki.

Commonwealth Fusion Systems, firma wywodząca się z MIT, zbudowała w 2021 roku najpotężniejszy na świecie magnes termojądrowy HTS, wytwarzając pole o wartości 20 tesli. Ten przełom umożliwił zaprojektowanie SPARC, kompaktowego tokamaka, który ma na celu wytworzenie 140 MW energii termojądrowej, mimo że jest ułamkiem wielkości wcześniejszych konstrukcji.

Gdzie jesteśmy

Dwa flagowe projekty zakotwiczają dzisiejszy krajobraz syntezy jądrowej. ITER, międzynarodowy megaprojekt w południowej Francji, wspierany przez 35 krajów, ukończył wszystkie swoje nadprzewodzące magnesy – w tym centralny solenoid wystarczająco mocny, aby podnieść lotniskowiec – i dąży do wytworzenia pierwszej plazmy około 2033–2034 roku. Po uruchomieniu objętość plazmy ITER będzie sześć razy większa niż w jakimkolwiek istniejącym tokamak.

Po stronie prywatnej CFS montuje SPARC w Devens w stanie Massachusetts, z pierwszą plazmą spodziewaną w latach 2026–2027 i celem zademonstrowania zysku netto energii wkrótce potem. Firma zebrała prawie 3 miliardy dolarów, przy wsparciu Google i Nvidia, i planuje zbudować ARC, swoją pierwszą komercyjną elektrownię, na początku lat 30. XXI wieku.

Nie są sami. Około 50 prywatnych firm dąży obecnie do komercyjnej syntezy jądrowej, a kilka – w tym TAE Technologies i General Fusion – wprowadza na rynek nowe maszyny demonstracyjne. Większość ekspertów umieszcza realistyczne ramy czasowe na lata 2030–2035 dla pierwszych komercyjnych elektrowni dostarczających energię do sieci.

Pozostałe wyzwania

Wyzwania inżynieryjne pozostają znaczące. Komponenty skierowane do plazmy muszą wytrzymać ekstremalne bombardowanie neutronami przez lata bez degradacji. Tryt, jedno z dwóch paliw, jest radioaktywny i rzadki – przyszłe reaktory będą musiały go wytwarzać z płaszczy litowych otaczających plazmę. I żaden tokamak nie utrzymał jeszcze płonącej plazmy wystarczająco długo, aby generować ciągłą energię elektryczną.

Mimo to tempo postępu znacznie przyspieszyło. Synteza jądrowa przechodzi z eksperymentu fizycznego w wyzwanie inżynieryjne – a maszyny ścigające się, aby je rozwiązać, już nabierają kształtu.