Największy na świecie reaktor syntezy jądrowej został wreszcie ukończony...

Największy na świecie reaktor syntezy jądrowej został wreszcie ukończony...

ITER, wart 28 miliardów USD reaktor termojądrowy we Francji, w końcu zainstalował ostatnią cewkę magnetyczną. Ale pełne uruchomienie reaktora nastąpi za 15 lat, najwcześniej w 2039 roku.

Reaktor termojądrowy ITER (International Fusion Energy Project), składający się z 19 masywnych cewek połączonych w wiele magnesów toroidalnych, pierwotnie miał rozpocząć swój pierwszy pełny test w 2020 roku. Teraz naukowcy twierdzą, że odpali najwcześniej w 2039 roku.

Z wymiany korespondencji wynika, że naukowcy dokonali kilku niesamowitych rzeczy, ale nie wszystkie z nich mają praktyczne zastosowanie, przynajmniej na razie. Fuzja jest świetnym przykładem.

ITER zawiera najpotężniejszy magnes na świecie, dzięki czemu jest w stanie wytworzyć pole magnetyczne 280 000 razy silniejsze niż to, które osłania Ziemię.

Imponująca konstrukcja reaktora wiąże się z równie wysoką ceną. Pierwotnie miał kosztować około 5 miliardów USD i zostać uruchomiony w 2020 roku, teraz doznał wielu opóźnień, a jego budżet przekroczył 22 miliardy dolarów, z dodatkowymi 5 miliardami dolarów proponowanymi na pokrycie dodatkowych kosztów. Te nieprzewidziane wydatki i opóźnienia stoją za najnowszym, 15-letnim opóźnieniem.

Naukowcy od ponad 70 lat próbują okiełznać moc fuzji jądrowej – procesu, w którym gwiazdy się spalają. Łącząc atomy wodoru w celu wytworzenia helu pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem i temperaturą, gwiazdy ciągu głównego przekształcają materię w światło i ciepło, generując ogromne ilości energii bez wytwarzania gazów cieplarnianych lub długotrwałych odpadów radioaktywnych.

Jednak odtworzenie warunków panujących w sercach gwiazd nie jest prostym zadaniem. Najpopularniejsza konstrukcja reaktorów termojądrowych, tokamak, działa poprzez przegrzanie plazmy (jeden z czterech stanów skupienia, składający się z jonów dodatnich i ujemnie naładowanych wolnych elektronów) przed uwięzieniem jej w komorze reaktora w kształcie pączka z silnymi polami magnetycznymi.

Jedną z głównych przeszkód jest posługiwanie się plazmą, która jest wystarczająco gorąca, aby się stopić. Reaktory termojądrowe wymagają bardzo wysokich temperatur (wielokrotnie wyższych niż Słońce), ponieważ muszą pracować przy znacznie niższym ciśnieniu niż w jądrach gwiazd.

Na przykład jądro Słońca osiąga temperaturę około 27 milionów Fahrenheita (15 milionów stopni Celsjusza), ale jego ciśnienie jest w przybliżeniu 340 miliardów razy większe niż ciśnienie powietrza na poziomie morza na Ziemi.

Gotowanie plazmy do tych temperatur jest stosunkowo łatwą częścią, ale znalezienie sposobu na jej izolowanie, aby nie przepaliła reaktora ani nie wykoleiła reakcji termojądrowej, jest technicznie trudne. Zwykle odbywa się to za pomocą laserów lub pól magnetycznych.

W jaki sposób reaktor może wytwarzać temperaturę 27 milionów stopni bez stopienia operacyjnego, jest prawdopodobnie zagadką dla każdego...

Temperatura cząstek znajduje się w próżni i w butelce magnetycznej, dzięki czemu gorące cząstki nigdy nie dotykają powierzchni, którą mogłyby stopić.

Fuzja jądrowa – ta sama reakcja, która zachodzi w sercach gwiazd – łączy jądra atomowe, tworząc cięższe jądra. Fizycy jądrowi od dawna dążą do wytworzenia fuzji jądrowej w reaktorach na Ziemi, ponieważ generuje ona znacznie więcej energii niż spalanie paliw kopalnych. Na przykład ilość atomów wodoru wielkości ananasa oferuje tyle energii, co 10 000 ton węgla, zgodnie z oświadczeniem projektu Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego (ITER).

ITER będzie wykorzystywał jako paliwa izotopy wodoru deuter i tryt.

Normalny atom wodoru nie ma neutronów w swoim jądrze, atom deuteru ma jeden neutron, a atom trytu dwa.

Fuzja deuteru i trytu wiąże się jednak z szeregiem wyzwań. Na przykład fuzja deuteru i trytu może generować niebezpieczne ilości wysokoenergetycznych neutronów, z których każdy porusza się z prędkością około 116 milionów mil na godzinę (187 milionów km/h), czyli 17,3% prędkości światła – tak szybko, że mogą dotrzeć do Księżyca w mniej niż 8 sekund. W związku z tym w tych eksperymentach potrzebne jest specjalne ekranowanie.

W reaktorze ITER wykładzina węglowa została zastąpiona mieszaniną berylu i wolframu. Ta nowa metaliczna ściana jest bardziej odporna na naprężenia związane z fuzją jądrową niż węgiel, a także przylega do mniejszej ilości wodoru niż węgiel.

Deuter jest obficie dostępny w wodzie morskiej, tryt jest niezwykle rzadki. Na razie tryt jest produkowany w reaktorach rozszczepienia jądrowego, chociaż przyszłe elektrownie termojądrowe będą mogły emitować neutrony do wytwarzania własnego paliwa trytowego.

Tryt jest radioaktywny, a więc wymaga specjalnego obchodzenia się z nim.

ITER będzie wykorzystywał chłodzone kriogenicznie magnesy nadprzewodzące, które są zaprojektowane do pracy w nieskończoność.

Nie ma ryzyka stopienia: awaria jądrowa typu Fukushima nie jest możliwa w urządzeniu termojądrowym tokamaka. Wystarczająco trudno jest osiągnąć i utrzymać dokładne warunki niezbędne do fuzji jeśli wystąpią jakiekolwiek zakłócenia, plazma ochładza się w ciągu kilku sekund i reakcja ustaje. Ilość paliwa znajdująca się w naczyniu w danym momencie wystarcza tylko na kilka sekund i nie ma ryzyka reakcji łańcuchowej.

Reaktor termojądrowy jest zupełnie inny niż reaktory rozszczepienia.

Podstawowe zasady są znane, ale dopracowane muszą być szczegóły.

W analizach zastosowano algorytmy sztucznej inteligencji.