Stellarator kontratakuje. O energii z fuzji

Chyba każdy, kto interesuje się nauką albo science fiction słyszał o energii z fuzji (znanej też pod nazwą syntezy jądrowej). Polega ona na łączeniu się jąder atomowych lekkich pierwiastków w cięższe. W szczególności – fuzja wodoru do helu zasila gwiazdy, a możliwość przeprowadzania jej na Ziemi mogłaby nam zapewnić praktycznie nieograniczone zasoby energii bezemisyjnej. Niestety, nie udało się jeszcze opanować technologii na tyle, by skonstruować reaktor fuzyjny. Tysiące naukowców na całym świecie głowią się jednak, jak ten cel osiągnąć.

Zasadniczym wyzwaniem jest temperatura paliwa

W przypadku Słońca fuzja zachodzi w jądrze, przy olbrzymim ciśnieniu i temperaturze 15 mln stopni Celsjusza. Tyle że nasza gwiazda wypala się powolnie, przez miliardy lat – olbrzymia moc wynika z rozmiaru jądra, a same reakcje zachodzą w nim niemrawo. Dla ziemskiego reaktora taka temperatura byłaby więc dalece niewystarczająca. Potrzebujemy ok. 10 razy wyższych.

Jak łatwo się domyślić, żaden materiał nie wytrzyma podobnych warunków. Na szczęście z pomocą przychodzi fizyka, a konkretnie czwarty stan skupienia materii, czyli plazma. Powstaje ona, gdy dostarczymy do jakiejś substancji tyle energii, że jej atomy rozpadną się na części składowe: jądro atomowe i elektrony, na które jesteśmy w stanie oddziaływać polem elektromagnetycznym. Możemy więc skonstruować pułapkę magnetyczną, która utrzyma gorącą plazmę bez kontaktu ze ścianami reaktora. Niestety, w praktyce zagadnienie to jest niesamowicie skomplikowane, wymagające uwzględnienia wszystkich rodzajów ruchu, jakim podlegają cząstki w plazmie oraz bardzo silnego pola magnetyczngo w odpowiedniej konfiguracji.

Najczęściej konfiguracja przyjmuje postać torusa

Reaktor buduje się w kształcie obwarzanka, albo pączka z dziurką, co wynika z faktu, że cząstki poruszają się wzdłuż linii pola magnetycznego. A te cechuje brak początku i końca. Zawsze formują zamknięte pętle (można to łatwo zauważyć przy zabawie magnesem i opiłkami żelaza). Cząstki plazmy mogą jednak ulegać dryfowi i zbaczać ze swojej trajektorii. Aby temu zapobiec, linie magnetyczne skręca się śrubowo (podobnie jak np. liny stalowe). Zwykle w tym celu przepuszcza się prąd przez plazmę uwięzioną w tymże polu – w urządzeniach nazywanych tokamakami (od akronimu pierwszych maszyn tego typu opracowanych w Związku Sowieckim). Na bazie tokamaka powstaje obecnie International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) we Francji. Niestety, stabilność prądu zależy od stabilności plazmy, a stabilność plazmy od stabilności prądu. To sprzężenie znacząco utrudnia znalezienie optymalnych parametrów pracy maszyny.

Alternatywą jest zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego. Takie próby podjęto już w połowie XX w., budując urządzenia nazywane stellaratorami. Niestety początkowe eksperymenty nie przyniosły oczekiwanych rezultatów. Zaprojektowanie magnesów o odpowiedniej geometrii przekraczało możliwości techniczne tamtej epoki. Renesans stellaratorów nastąpił w końcówce XX w. wraz z pojawieniem się szybkich komputerów. Nowoczesne narzędzia obliczeniowe pozwoliły na analizowanie skomplikowanych geometrii i znalezienie optymalnych kształtów, dających efekty porównywalne do tokamaków.

Największy na świecie stellarator, Wendelstein 7-X, powstał w Max-Planck-Institut für Plasmaphysik w Greifswaldzie, zaledwie 70 km na zachód od Świnoujścia. Maszyna ma kształt torusa o średnicy około 16 m. Wewnątrz utrzymuje się plazmę w kształcie, który przypomina pięciokrotnie zwiniętą wstęgę Möbiusa. Służy do tego 70 potężnych magnesów o wyrafinowanych kształtach. Konstrukcja urządzenia, w której uczestniczyli też polscy naukowcy, trwała 10 lat i wymagała niezwykłej precyzji. Magnesy ważące do 6 ton musiały być umieszczone względem siebie z milimetrową dokładnością, aby wytworzyć pożądany kształt pola magnetycznego. Jednym z pierwszych eksperymentów było więc sprawdzenie ich dokładności. Wyniki okazały się bardziej niż imponujące: zmierzone odchylenia są mniejsze niż 1:100 000. Stawia to Wendelsteina 7-X w czołówce osiągnięć inżynieryjnych XXI w.

Choć samo urządzenie nie jest przeznaczone do produkcji energii, to prowadzone na nim od 10 lat eksperymenty realizują strategię stopniowego zwiększania możliwości maszyny, tak by testować kolejne elementy niezbędne do budowy pełnoskalowej elektrowni. Ukończone w 2022 r. prace uwzględniały m.in. instalację rozbudowanego chłodzenia reaktora (słowo rozbudowany nie w pełni oddaje skalę złożoności systemu, tworzonego przez 657 pętli chłodzących i prawie 7 kilometrów rur), które może obniżać jego temperaturę przy pełnej mocy nawet przez pół godziny. Ilość ciepła potrzebna do grzania plazmy przez ten czas to około 18 GJ (ogrzanie przeciętnego dwupokojowego mieszkania w ciągu roku wymaga około 10 GJ).

Możliwość ciągłej pracy jest jedną z istotnych zalet stellaratorów. Uzyskanie stałego prądu w plazmie – w tokamakach – jest bardzo trudne, dlatego przewiduje się dla nich około 10 minut przerwy po każdych dwóch godzinach pracy. To oczywiście niekorzystne dla produkcji energii elektrycznej.

Wendelstein 7-X bada skuteczne sposoby utrzymywania plazmy

Maszyna jest naszpikowana urządzeniami diagnostycznymi, zbierającymi podczas pracy gigabajty informacji na sekundę. Dane te umożliwiają weryfikację modeli teoretycznych i dalsze optymalizacje różnych systemów. Równolegle do technologii pomiarów rozwija się więc techniki analizy informacji oparte na sztucznej inteligencji, w szczególności uczeniu maszynowym. Algorytm sam wyszukuje pojawiające się prawidłowości, dzięki czemu można później np. automatycznie filtrować dane z fałszywych pomiarów, które wynikają z awarii czujników, a nie faktycznych odczytów.

Zastosowania AI są jednak znacznie szersze. Odpowiednio wyszkolone modele są w stanie bardzo szybko dostarczać wyniki, które normalnie wymagałyby czasochłonnych obliczeń. Pozwalają lepiej rozumieć i kontrolować plazmę podczas eksperymentów, dając podstawę dla budowy przyszłych elektrowni termojądrowych. Algorytmy te potrafią być bardzo zręczne. Obliczają nie tylko aktualny stan plazmy na podstawie pomiarów, ale też określając margines błędu uzyskanych wyników. Jeżeli jest mały, system wie, że możliwa jest precyzyjna kontrola pracy reaktora. Jeżeli zbyt duży, będą modyfikować stan plazmy z większą ostrożnością, aby niepewność w obliczeniach nie wywołała niebezpiecznych zaburzeń w reaktorze.

AI jest wykorzystywana także do analizy obrazów z kamer obserwujących wewnętrzne ściany wystawione na kontakt z plazmą. Oprogramowanie rozpoznaje przegrzane fragmenty, odróżniając obraz bezpośredni od odbitego od ścian urządzenia.

Stosunkowo nowym kierunkiem zastosowań AI są tzw. sieci neuronowe poinformowane o fizyce (physics informed neural networks), czyli metody stosujące algorytmy, w których pewne fizyczne zależności są zaszyte „na sztywno”. Sieci takie podczas nauki biorą pod uwagę nie tylko statystyczną analizę dostarczonych danych, ale także zgodność swoich wyników z założonymi równaniami. W ten sposób uzyskuje się znacznie dokładniejsze wyniki.

Analiza wyników trwa nie tylko w Greifswaldzie

Obliczenia wykonuje się także w wielu innych współpracujących jednostkach w Europie i na świecie. Wendelstein 7-X jest urządzeniem unikatowym, ale to nie znaczy, że idea stellaratora budzi zainteresowanie tylko w Niemczech. Obecnie prace nad prototypami elektrowni opartymi o takie rozwiązanie prowadzi co najmniej pięć start-upów, między innymi z Francji, Niemiec, Japonii i Stanów Zjednoczonych (swój program mają też oczywiście Chiny). Olbrzymi postęp, jaki dokonał się w ostatnich dekadach, sprawił, że stellaratory są dziś realną konkurencją dla tokamaków w walce o dostarczenie energii elektrycznej z fuzji do sieci elektroenergetycznej.

Jednym z takich przedsięwzięć jest Proxima Fusion, spółka typu spin-out założona przez naukowców z instytutu w Greifswaldzie. Ich głównym celem jest dopracowanie techniczne konstrukcji stellaratora w rozmiarze wystarczającym dla osiągnięcia dodatniego bilansu energii. Koncepcja o nazwie Stellaris została niedawno ujawniona w czasopiśmie naukowym „Fusion Engineering and Design” – wraz z wynikami obliczeń potwierdzającymi realność wstępnych założeń. Projekt przewiduje osiągnięcie mocy około 1000 MW w reaktorze o rozmiarze około dwukrotnie większym niż Wendelstein 7-X.

Spółka deklaruje, że prototyp ma powstać na początku lat 30., a do końca kolejnej dekady urządzenia tego rodzaju będą w stanie dostarczyć energię z fuzji do sieci energetycznej. Bardzo optymistyczne założenie, ale agresywne terminarze prac są prezentowane przez wszystkie fuzyjne startupy.