Francuski reaktor termojądrowy WEST ustanowił nowy rekord w zakresie podtrzymywania plazmy, przekraczając dotychczasowe osiągnięcie chińskiego tokamaka EAST o 25%. To znaczący krok w dążeniu do opracowania stabilnych i wydajnych reaktorów fuzji jądrowej, które mogłyby stać się nieograniczonym źródłem czystej energii.

12 lutego 2025 roku reaktor WEST, działający w ośrodku CEA Cadarache we Francji, utrzymał plazmę przez imponujące 1 337 sekund, czyli 22 minuty i 17 sekund. To wynik lepszy o ponad 4 minuty w porównaniu do wcześniejszego rekordu wynoszącego 1 066 sekund, ustanowionego w styczniu przez chiński reaktor EAST. Temperatury osiągnięte w trakcie eksperymentu przekroczyły 50 milionów stopni Celsjusza, czyli trzykrotnie więcej niż w jądrze Słońca.

Plazma to czwarty stan skupienia materii, w którym atomy tracą elektrony, tworząc mieszaninę swobodnych jonów i elektronów. Występuje w gwiazdach oraz w reaktorach termojądrowych. Jest ona kluczowym elementem dla fuzji jądrowej, ponieważ to właśnie w jej wnętrzu dochodzi do reakcji syntezy lekkich jąder atomowych.

Co oznacza ten rekord?

Stabilne utrzymywanie plazmy przez długi czas jest kluczowe dla przyszłości energetyki jądrowej opartej na fuzji. Międzynarodowy projekt ITER, budowany również w Cadarache, będzie wymagał możliwości utrzymywania plazmy przez długie okresy w celu efektywnego przeprowadzania reakcji syntezy jądrowej. Osiągnięcie WEST dowodzi, że naukowcy coraz lepiej kontrolują procesy plazmowe i zbliżają się do celu, jakim jest stabilna i opłacalna produkcja energii z fuzji jądrowej.

– WEST osiągnął nowy kluczowy kamień milowy, utrzymując plazmę wodorową przez ponad 20 minut przy użyciu 2 megawatów energii grzewczej. Kolejne eksperymenty będą kontynuowane przy wyższej mocy, co pozwoli Francji i zespołowi WEST przewodzić pracom nad ITER – tak skomentowała przełom Anne-Isabelle Etienvre, dyrektor ds. badań podstawowych w CEA.

Dlaczego fuzja jądrowa jest tak ważna?

Fuzja jądrowa to proces, w którym lekkie jądra atomowe (np. izotopy wodoru) łączą się, tworząc cięższe jądro, czemu towarzyszy uwolnienie ogromnej ilości energii. To ten sam mechanizm, który napędza gwiazdy, w tym nasze Słońce. W przeciwieństwie do obecnie stosowanej energii jądrowej opartej na rozszczepieniu atomów (fisji jądrowej), fuzja nie generuje długotrwałych odpadów radioaktywnych ani nie stwarza ryzyka katastrofy podobnej do Czarnobyla czy Fukushimy.

Aby reakcja fuzji mogła zajść na Ziemi, konieczne jest utrzymanie plazmy w temperaturze wielokrotnie wyższej niż w jądrze Słońca, ponieważ brakuje nam olbrzymiej grawitacji gwiazdy, która naturalnie sprzyja reakcjom syntezy. Do tego celu stosuje się wyspecjalizowane reaktory – tokamaki.

Tokamaki to reaktory termojądrowe do przeprowadzania kontrolowanej fuzji jądrowej, mające kształt torusa. Plazma jest w nich utrzymywana i stabilizowana za pomocą potężnych pól magnetycznych, co pozwala osiągać ekstremalnie wysokie temperatury, niezbędne do zapoczątkowania reakcji syntezy lekkich jąder atomowych.

Magnetyczne pułapki na plazmę

Technologia fuzji jądrowej opiera się na różnych metodach podtrzymywania plazmy. Jednym z najczęściej stosowanych podejść jest magnetyczne uwięzienie plazmy, które wykorzystuje potężne pole magnetyczne do utrzymania reakcji w kontrolowanym środowisku. Takie rozwiązanie stosowane jest w tokamakach takich jak WEST i ITER. Inną metodą jest fuzja inercyjna, w której stosuje się lasery do podgrzewania i kompresji paliwa wodorowego do temperatury niezbędnej do rozpoczęcia reakcji.

Wyzwania technologiczne

Pomimo przełomowych osiągnięć, technologia fuzji wciąż znajduje się w fazie badawczej. Główne wyzwania, jakie naukowcy muszą pokonać, obejmują poprawę efektywności energetycznej oraz wydłużenie czasu utrzymywania stabilnej reakcji. Największym celem jest uzyskanie dodatniego bilansu energetycznego, czyli sytuacji, w której reaktor generuje więcej energii, niż zużywa do podtrzymania reakcji. W tym kontekście wyniki osiągnięte przez WEST mają kluczowe znaczenie dla przyszłych badań.

Co dalej?

Zespół pracujący nad reaktorem WEST nie zamierza zatrzymywać się na obecnym rekordzie. Kolejnym celem naukowców jest przedłużenie czasu utrzymywania plazmy do kilku godzin oraz dalsze zwiększenie temperatury, by zbliżyć się do warunków potrzebnych do komercyjnej fuzji jądrowej. Wysiłki te mają nie tylko kluczowe znaczenie dla projektu ITER, ale także dla przyszłych elektrowni termojądrowych, które mogą zrewolucjonizować globalny rynek energetyczny.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) to międzynarodowy projekt budowy największego eksperymentalnego reaktora fuzji jądrowej w Cadarache we Francji. Jego celem jest zbadanie technologii umożliwiających komercyjną produkcję energii termojądrowej poprzez kontrolowaną fuzję wodoru, odtwarzając procesy zachodzące w gwiazdach.

Wciąż jednak pozostaje wiele wyzwań technologicznych, finansowych i inżynieryjnych, które muszą zostać pokonane, zanim fuzja stanie się realnym źródłem energii. Pomimo to, sukcesy takie jak francuski rekord pokazują, że ludzkość nieustannie zbliża się do urzeczywistnienia marzenia o niemal nieograniczonej i ekologicznej energii.

Podsumowując, choć droga do pełnoskalowej energetyki termojądrowej jest jeszcze długa, osiągnięcia takie jak rekord WEST stanowią ważny krok w rozwoju tej technologii. Dzięki nim przyszłość energetyki może stać się bardziej zrównoważona, a nasze zapotrzebowanie na energię będzie mogło być zaspokojone w sposób czystszy i bardziej efektywny niż kiedykolwiek wcześniej.

źródła: advancedsciencenews.com, cea.fr, livescience.com