Olbrzymi toroid: Inżynierowie pracują przy montażu pierwszej sekcji komory próżniowej, toroidalnego zbiornika, w którego wnętrzu znajdzie się plazma z zachodzącą w niej syntezą termojądrową. W reaktorze ITER jądra dwóch izotopów wodoru, deuteru i trytu, poruszające się z ogromną prędkością, będą zderzać się ze sobą, co może spowodować ich połączenie i powstanie jądra helu. Niewielki ubytek masy jąder będący skutkiem reakcji ulegnie zamianie na energię zgodnie ze słynnym wzorem wyprowadzonym przez Einsteina E=mc2. Olbrzymi toroid: Inżynierowie pracują przy montażu pierwszej sekcji komory próżniowej, toroidalnego zbiornika, w którego wnętrzu znajdzie się plazma z zachodzącą w niej syntezą termojądrową. W reaktorze ITER jądra dwóch izotopów wodoru, deuteru i trytu, poruszające się z ogromną prędkością, będą zderzać się ze sobą, co może spowodować ich połączenie i powstanie jądra helu. Niewielki ubytek masy jąder będący skutkiem reakcji ulegnie zamianie na energię zgodnie ze słynnym wzorem wyprowadzonym przez Einsteina E=mc2. Zdjęcie Manuela Schirra, Fabrizio Giraldi
Technologia

ITER, czyli Imponujący Test Epickiego Rezonu

Reaktor termojądrowy ITER można porównać minigwiazdy w laboratorium. Jej ujarzmienie to kolosalne wyzwanie. Czujemy się jak maratończyk, który ukończył dopiero pierwszy z długiej serii biegów, mówią jego twórcy. Fotoreportaż Manueli Schirry i Fabrizio Giraldiego.

Ludzie to gatunek, którego olbrzymi apetyt na energię z trudem zaspokajają dostępne dziś źródła. Synteza termojądrowa, czyli reakcja taka, jaka zachodzi we wnętrzu Słońca, mogłaby stać się obfitym źródłem czystej energii, gdyby tylko naukowcy zdołali ją ujarzmić. Największym i najbardziej ambitnym przedsięwzięciem zmierzającym do pozyskania energii wydzielanej podczas łączenia się dwóch lekkich jąder atomowych jest budowa Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER). Instalacja o wartości 25 mld dolarów powstaje w Saint-Paul-lez-Durance we Francji dzięki współpracy Unii Europejskiej, Chin, Indii, Japonii, Korei Południowej i Stanów Zjednoczonych. Głównym celem projektu jest osiągnięcie dodatniego bilansu energetycznego, co nie udało w żadnym z wcześniejszych eksperymentów z zakresu syntezy termojądrowej: ilość wydzielonego ciepła ma być większa niż energia potrzebna do przeprowadzenia reakcji termojądrowej.

Realizacja przedsięwzięcia od początku napotyka trudności, czego wyrazem są opóźnienia i stale rosnące koszty. Niezależny audyt przeprowadzony kilka lat temu spowodował wymianę ekipy kierującej. Sceptycy twierdzą, że projekt nie ma sensu oraz stanowi marnotrawstwo czasu i pieniędzy, ponieważ zamierzonym celem jest co najwyżej potwierdzenie słuszności koncepcji, a nie budowa prototypowej elektrowni. Pomimo wszystkich kontrowersji w lipcu 2020 roku osiągnięto wreszcie ważny oczekiwany kamień milowy, wyznaczony przez oficjalne rozpoczęcie montażu reaktora, czyli łączenia podzespołów dostarczanych przez uczestników. „Czujemy się jak maratończyk, który ma uczestniczyć w serii biegów – ukończył wprawdzie pierwszy z nich, ale ma świadomość, że przed nim o wiele większy wysiłek – wyjaśnia Bernard Bigot, który w 2015 roku objął funkcję dyrektora generalnego ITER. – Patrzymy z większym zaufaniem w przyszłość, ale ze świadomością, że sukces nie jest zagwarantowany”.

Przedsięwzięcie można porównać do budowy w laboratorium minigwiazdy i jej ujarzmienia. Sercem reaktora jest ważąca 23000 t cylindryczna komora, w której silne pole magnetyczne wytwarzane przez nadprzewodzące magnesy ma utrzymać w stanie zlokalizowanym plazmę o temperaturze 150 mln kelwinów dostatecznie długo, aby nastąpiła synteza. Zaprzężenie do pracy praw fizyki to jest wielkie wyzwanie, ale wcale nie mniejszym jest montaż konstrukcji. „To gigantyczny projekt międzynarodowy, w którym podzespoły wytwarzane w różnych zakątkach świata niczym puzzle trzeba poskładać w jedno działające urządzenie” – wyjaśnia Saskia Mordijck, fizyczka plazmy z uniwersytetu William & Mary, która nie należy do zespołu ITER.

Naukowcy mają nadzieję, że „czerwony guzik” uda się nacisnąć w 2025 roku, a reaktor osiągnie pełną moc najdalej w 2035 roku. Jeżeli projekt zakończy się sukcesem, korzyści będą ogromne. Synteza termojądrowa może dać więcej energii niż spalanie węgla czy ropy, a nawet paliwa rozszczepialne używane w pracujących dziś elektrowniach jądrowych. Nie prowadzi też do emisji gazów cieplarnianych ani powstawania odpadów promieniotwórczych. „W moim przekonaniu synteza termojądrowa to jedyne rozwiązanie zdolne uzupełnić odnawialne źródła energii i pomóc w przeciwdziałaniu zmianom klimatycznym – przekonuje Bigot. – Kolejne trzy lub cztery lata okażą się rozstrzygające”.

Gradient temperatury: Wewnątrz reaktora ITER znajdzie się jedno z najgorętszych miejsc we Wszechświecie: plazma o temperaturze 150 mln kelwinów, oraz jedno z najzimniejszych miejsc: magnesy wytwarzające pole magnetyczne niezbędne do uwięzienia plazmy, które muszą być utrzymywane w temperaturze zbliżonej do 4 kelwinów (–269 °C) . Obydwa obszary będzie rozdzielać „koc” ze stali pokrytej berylem zamocowany do wewnętrznej ścianki komory próżniowej za pomocą króćców przykrytych na zdjęciu żółtymi nakładkami chroniącymi je przed kurzem.Zdjęcie Manuela Schirra, Fabrizio GiraldiGradient temperatury: Wewnątrz reaktora ITER znajdzie się jedno z najgorętszych miejsc we Wszechświecie: plazma o temperaturze 150 mln kelwinów, oraz jedno z najzimniejszych miejsc: magnesy wytwarzające pole magnetyczne niezbędne do uwięzienia plazmy, które muszą być utrzymywane w temperaturze zbliżonej do 4 kelwinów (–269 °C) . Obydwa obszary będzie rozdzielać „koc” ze stali pokrytej berylem zamocowany do wewnętrznej ścianki komory próżniowej za pomocą króćców przykrytych na zdjęciu żółtymi nakładkami chroniącymi je przed kurzem.

Największy na świecie: Komora tokamaka widziana z góry (1) i z wnętrza (2) ma postać walca, w którym będzie przebiegać eksperyment ITER. Słowo „tokamak” jest akronimem rosyjskiej nazwy oznaczającej „toroidalną komorę z cewkami magnetycznymi” i opisującej koncepcję reaktora termonuklearnego, którą w 1957 roku zaproponował fizyk Igor Golovin. Tokamak ITER będzie najpotężniejszym dotąd urządzeniem tego typu; jego rozmiary są dwukrotnie większe niż w przypadku największego działającego obecnie tokamaka. Podstawa urządzenia została opuszczona do wnętrza komory w lipcu 2020, wyznaczając początek montażu reaktora na południu Francji. Teren pod inwestycję zapewniła Europa, która bierze na siebie prawie połowę całkowitych kosztów realizacji projektu. Finansowanie przez państwa europejskie jest realizowane za pośrednictwem powołanego w tym celu konsorcjum Fuzja dla Energii.Zdjęcie Manuela Schirra, Fabrizio GiraldiNajwiększy na świecie: Komora tokamaka widziana z góry (1) i z wnętrza (2) ma postać walca, w którym będzie przebiegać eksperyment ITER. Słowo „tokamak” jest akronimem rosyjskiej nazwy oznaczającej „toroidalną komorę z cewkami magnetycznymi” i opisującej koncepcję reaktora termonuklearnego, którą w 1957 roku zaproponował fizyk Igor Golovin. Tokamak ITER będzie najpotężniejszym dotąd urządzeniem tego typu; jego rozmiary są dwukrotnie większe niż w przypadku największego działającego obecnie tokamaka. Podstawa urządzenia została opuszczona do wnętrza komory w lipcu 2020, wyznaczając początek montażu reaktora na południu Francji. Teren pod inwestycję zapewniła Europa, która bierze na siebie prawie połowę całkowitych kosztów realizacji projektu. Finansowanie przez państwa europejskie jest realizowane za pośrednictwem powołanego w tym celu konsorcjum Fuzja dla Energii.

Pusta komora: Komora próżniowa reaktora ITER powstanie z połączenia sześciu segmentów dostarczonych przez Koreę Południową i Włochy. Olbrzymie stalowe elementy docierają drogą morską do portu Fos-sur-Mer w pobliżu Marsylii, a następnie są transportowane lądem na miejsce budowy oddalone około 100 km w kierunku północno-wschodnim. Pierwsze dostarczone już elementy zostaną połączone z magnesami i osłonami termicznymi, a następnie opuszczone do komory tokamaka (1).Zdjęcie Manuela Schirra, Fabrizio GiraldiPusta komora: Komora próżniowa reaktora ITER powstanie z połączenia sześciu segmentów dostarczonych przez Koreę Południową i Włochy. Olbrzymie stalowe elementy docierają drogą morską do portu Fos-sur-Mer w pobliżu Marsylii, a następnie są transportowane lądem na miejsce budowy oddalone około 100 km w kierunku północno-wschodnim. Pierwsze dostarczone już elementy zostaną połączone z magnesami i osłonami termicznymi, a następnie opuszczone do komory tokamaka (1).

Wielki chłód: Magnesy nadprzewodzące pracujące w reaktorze wymagają schłodzenia do temperatury niewiele wyższej niż zero bezwzględne, co jest realizowane za pomocą ciekłego helu, którego obieg w układach jest wymuszany przez pompy. Operatorzy sterują systemem za pomocą skomplikowanego zestawu zaworów ręcznych (2), kierując się przy tym wskazaniami lokalnych czujników ciśnienia, temperatury i przepływu. Układ kriogeniczny budowany przez firmę Air Liquide (3) stanie się największym na świecie systemem chłodzącym wykorzystującym ciekły hel.Zdjęcie Manuela Schirra, Fabrizio GiraldiWielki chłód: Magnesy nadprzewodzące pracujące w reaktorze wymagają schłodzenia do temperatury niewiele wyższej niż zero bezwzględne, co jest realizowane za pomocą ciekłego helu, którego obieg w układach jest wymuszany przez pompy. Operatorzy sterują systemem za pomocą skomplikowanego zestawu zaworów ręcznych (2), kierując się przy tym wskazaniami lokalnych czujników ciśnienia, temperatury i przepływu. Układ kriogeniczny budowany przez firmę Air Liquide (3) stanie się największym na świecie systemem chłodzącym wykorzystującym ciekły hel.

Klatka magnetyczna: Synteza termojądrowa będzie przebiegać w plazmie uwięzionej w pułapce tworzonej przez pole magnetyczne wytwarzane przez układ magnesów: sześć nadprzewodzących magnesów poloidalnych (na zdjęciu) w kształcie wielkich pierścieni umieszczonych poziomo jeden nad drugim i otaczających plazmę. Ponadto cały reaktor będzie otoczony przez 18 pionowych cewek wytwarzających pole toroidalne, a w jego centrum znajdzie się jeden potężny solenoid. Wszystkie magnesy utworzą największy dotąd system magnesów nadprzewodzących. Nadprzewodnictwo sprawi, że prąd elektryczny będzie płynąć przez uzwojenie, nie napotykając oporu, co pozwoli uzyskać silne pole magnetyczne.Zdjęcie Manuela Schirra, Fabrizio GiraldiKlatka magnetyczna: Synteza termojądrowa będzie przebiegać w plazmie uwięzionej w pułapce tworzonej przez pole magnetyczne wytwarzane przez układ magnesów: sześć nadprzewodzących magnesów poloidalnych (na zdjęciu) w kształcie wielkich pierścieni umieszczonych poziomo jeden nad drugim i otaczających plazmę. Ponadto cały reaktor będzie otoczony przez 18 pionowych cewek wytwarzających pole toroidalne, a w jego centrum znajdzie się jeden potężny solenoid. Wszystkie magnesy utworzą największy dotąd system magnesów nadprzewodzących. Nadprzewodnictwo sprawi, że prąd elektryczny będzie płynąć przez uzwojenie, nie napotykając oporu, co pozwoli uzyskać silne pole magnetyczne.

Budowa magnesu: Magnesy poloidalne wykonane ze stopów niobu z cyną oraz niobu z tytanem to jedyne podzespoły wytwarzane na miejscu. Ich średnica, która waha się od 17 do 24 m, i masa sięgająca 400 t sprawiają, że są zbyt duże, aby je transportować. Zdjęcie pokazuje cewkę poloidalną #6 wewnątrz kriostatu chłodzącego.Zdjęcie Manuela Schirra, Fabrizio GiraldiBudowa magnesu: Magnesy poloidalne wykonane ze stopów niobu z cyną oraz niobu z tytanem to jedyne podzespoły wytwarzane na miejscu. Ich średnica, która waha się od 17 do 24 m, i masa sięgająca 400 t sprawiają, że są zbyt duże, aby je transportować. Zdjęcie pokazuje cewkę poloidalną #6 wewnątrz kriostatu chłodzącego.

Świat Nauki 1.2021 (300353) z dnia 01.01.2021; Fizyka; s. 60
Oryginalny tytuł tekstu: "Marzenia o syntezie"

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną