Naukowcy pracujący przy tokamaku KSTAR ogłosili, że udało im się pobić własny rekord. W czasie przeprowadzonej od grudnia 2023 do lutego 2024 r. kampanii utrzymali wewnątrz tokamaka plazmę o temperaturze 100 mln st. C przez 48 sekund. To krok naprzód w stosunku do poprzedniego rekordu: 20 sekund uzyskanych w 2021 r. 

Poprawę udało się uzyskać dzięki przebudowie tokamaka. A konkretnie – wymianie jego części odpowiedzialnych za odprowadzenie ciepła i zanieczyszczeń. Czyli „produktów ubocznych” powstających w reaktorze podczas pracy. 

Koreańscy fizycy plazmy są tym samym bliżej swojego ostatecznego celu. Jest nim utrzymanie plazmy w temperaturze 100 mln stopni przez całe pięć minut. Naukowcy mają nadzieję, że uda im się to osiągnąć do końca 2026 r.

Co to jest fuzja jądrowa?

Słońce składa się w przeważającej mierze zaledwie z dwóch pierwiastków. Trzy czwarte naszej gwiazdy to wodór, zaś niemal cała pozostała jedna czwarta – hel. Pierwiastki te znajdują się w czwartym, niespotykanym na Ziemi stanie skupienia. Jest nim plazma, czyli zjonizowany, wysokoenergetyczny gaz. 

Warunki panujące wewnątrz gwiazdy są ekstremalne. Panuje tam gigantyczne ciśnienie – 230 mld razy potężniejsze niż na powierzchni Ziemi. Temperatura osiąga zaś 15 mln st. C. Pod takim ciśnieniem i w takiej temperaturze w środku Słońca zachodzi proces, który nigdy nie wystąpił naturalnie na powierzchni naszej planety. Mowa o fuzji jądrowej. Czyli łączeniu się jąder wodoru w cięższy pierwiastek, hel. 

To właśnie dzięki fuzji jądrowej ze Słońca w każdej sekundzie dociera do nas ciepło i światło. W procesie tym uwalniane są ogromne ilości energii. Szacuje się, że fuzja jądrowa jest cztery razy bardziej efektywna niż rozszczepienie atomów. 

Jak wytworzyć Słońce na Ziemi?

Od czasu, kiedy odkryto – w latach 30. poprzedniego wieku – mechanizm fuzji jądrowej, zaczęto myśleć o odtworzeniu go na Ziemi. Gdyby udało się zbudować urządzenie, wewnątrz którego działoby się to samo co wewnątrz Słońca, uzyskalibyśmy idealne źródło czystej i niemal nieograniczonej energii. 

Niestety, to, co bez problemów zachodzi w jądrze naszej gwiazdy, jest niebywale trudne do otworzenia w reaktorach termojądrowych. Po pierwsze, na Ziemi musimy „przebić” Słońce. Nie jesteśmy w stanie stworzyć takiego ciśnienia, jakie panuje w jego jądrze. Musimy więc rozgrzać plazmę znacznie bardziej niż we wnętrzu Słońca – aż do 100 mln st. C.

Po drugie, w reaktorach fuzyjnych należy jak najdłużej utrzymać reakcję syntezy jąder atomowych. To potrzebne, by wyprodukować więcej energii niż zużywane jest na „wejściu”, do zainicjowania reakcji. Jednak reakcja syntezy jądrowej bardzo łatwo wygasa.

Kiedy opanujemy fuzję jądrową? 

Koreańscy naukowcy uzyskali swój obecny rekord m.in. dzięki przebudowie diwertora. To część tokamaka, reaktora w kształcie torusa, czyli obwarzanka z dziurą w środku. Wewnątrz tokamaka wytwarza się bardzo silne pole magnetyczne, które utrzymuje pierścień plazmy z dala od ścianek urządzenia. Diwertor znajduje się na dnie komory próżniowej. Odprowadza z niej ciepło i zanieczyszczenia, minimalizując zanieczyszczenie plazmy.

Przed obecną kampanią w KSTAR znajdowały się diwertory z węgla. W zeszłym roku wymieniono je na diwertory z wolframu i zmieniono ich kształt. Usprawnienie okazało się sukcesem. Wyniki uzyskane w Korei są ważne dla przygotowań do uruchomienia tokamaka ITER, który powstaje obecnie we Francji. ITER z kolei ma pozwolić skonstruować pierwszą eksperymentalną elektrownię termojądrową DEMO. 

Kiedy to się stanie i będziemy mieli pierwsze działające "Słońce na Ziemi"? Optymistycznie mówi się o 2050 r. Nie jest przy tym wykluczone, że nie będzie to pierwsza elektrownia termojądrowa na Ziemi. W wyścigu o energię Słońca biorą udział również Chiny, mające na swoim koncie największe osiągnięcie, jeśli chodzi o prace nad fuzją. W kwietniu 2023 r. w chińskim reaktorze EAST udało się rozpalić „sztuczne słońce” prawie na 7 minut.

Źródła: EurekAlert, ITER, Science Alert.