Reakcje termojądrowe to przyszłość energetyki. Dzięki odtwarzaniu procesów, które zachodzą na Słońcu, można pozyskiwać znacznie większe ilości energii niż obecnie. W ramach kolejnych testów technologii zespół inżynierów skonstruował urządzenie, w którym udało się uzyskać temperaturę wyższą niż w jądrze Słońca.
W ciągu niemal wieku, odkąd człowiek po raz pierwszy wywołał reakcje termojądrowe, tylko kilka technologii wykazało zdolność do wytworzenia plazmy o temperaturze elektronów wyższej niż 10 milionów stopni Celsjusza, czyli mniej więcej temperatury jądra Słońca (15 mln st. C).
W ramach Fusion Z-pinch Experiment (FuZE) amerykański start-up Zap Energy zajmujący się syntezą termojądrową zbudował stosunkowo niewielki i kompaktowy reaktor. Wykorzystując go wygenerował plazmę - czwarty stan skupienia materii, w którym jądra i elektrony nie zachowują stanu atomowego (nie są połączone w atomy), ale swobodnie unoszą się w powietrzu.
Taka reakcja daje 10 milionów razy więcej energii niż spalanie tej samej ilości węgla. Udało się osiągnąć temperaturę elektronów w plazmie na poziomie 1-3 keV, co w przybliżeniu odpowiada 11 do 37 milionów stopni Celsjusza. Niestety dużą przeszkodę w rozwoju reaktorów termojądrowych stanowią szybko stygnące elektrony, które mogą ograniczyć nagrzewanie się plazmy.
Spółka Zap Energy, wydzielona w wyniku przeprowadzenia w 2020 roku badań, wykorzystała rozwiązania o nazwie Z-pinch, które mają zapewnić, że elektrony nie będą ochładzały się tak szybko. W tym schemacie prąd elektryczny kierowany jest na cienkie włókna plazmy, generując pola magnetyczne, które ją ściskają i podgrzewają podczas kompresji. Dotychczas podczas testów otrzymywana plazma była krótkotrwała. Ten problem rozwiązano stosując dynamiczny przepływ przez plazmę, proces o dość trudno brzmiącej nazwie - stabilizacja przepływu ścinanego.
- Dynamika stanowi wspaniałe równoważenie fizyki plazmy - powiedział Ben Levitt, wiceprezes ds. badań i rozwoju w Zap. - W miarę wspinania się do coraz wyższych prądów plazmowych optymalizujemy punkt, w którym temperatura, gęstość i czas życia Z-pinch wyrównują się, tworząc stabilną, wysokowydajną plazmę.
W porównaniu do innych eksperymentów związanych z technologią termojądrową FuZe nie potrzebuje magnesów nadprzewodzących ani potężnych laserów do generowania plazmy, dzięki czemu jest bardzo opłacalna.
- Technologia Zap jest o rząd wielkości tańsza i szybsza w budowie niż inne urządzenia, co pozwala nam na szybkie iteracje i produkcję najtańszych neutronów termojądrowych na rynku. Przekonująca ekonomika innowacji jest niezbędna do wprowadzenia komercyjnego produktu termojądrowego w mającej znaczenie skali czasowej - powiedział Benj Conway, dyrektor generalny i współzałożyciel Zap.
Oczywiście FuZe to nie szczyt możliwości i wyzwań, z którymi zespół inżynierów chce się zmierzyć. Zlecono już kolejny projekt Fuze-Q, o dziesięciokrotnie większej pojemności energetycznej i możliwości osiągnięcia jeszcze wyższej temperatury.
Literatura źródłowa: B. Levitt et al, Elevated Electron Temperature Coincident with Observed Fusion Reactions in a Sheared-Flow-Stabilized Z Pinch, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.155101
***
Bądź na bieżąco i zostań jednym z 90 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!