W reaktorze termojądrowym Wendelstein 7-X, zbudowanym w Instytucie Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka Greifswaldzie, po raz pierwszy uzyskano plazmę z wodoru. Wendelstein 7X jest największym na świecie urządzeniem syntezy termojądrowej typu stellarator.
Co jakiś czas informujemy w „Kurierze…” o pracach nad budową sztucznego słońca, trwających w greifswaldzkim instytucie. Celem prowadzonego tam eksperymentu jest uzyskanie energii elektrycznej dzięki syntezie termojądrowej. Jeśli eksperyment się powiedzie, człowiek będzie mógł produkować energię w sposób bezpieczny dla środowiska i siebie, a jej źródła – co brzmi dziś jak bajka – będą niewyczerpane i powszechnie dostępne. Czy można bowiem wyczerpać ziemskie zasoby wodoru?
Cywilizacja, którą stworzyliśmy, potrzebuje coraz więcej energii, bez której nie umiemy żyć. Jej tradycyjne źródła i surowce nie są wieczne, a nadto są używane w targach politycznych, ich eksploatacja jest kosztowna, a produkcja energii przy ich energii mocno obciąża środowisko i wpływa na ocieplanie się klimatu. Człowiek szuka więc nowych źródeł energii.
Od dawna ludzie marzyli o pozyskiwaniu energii ze słońca, co jednak jest niemożliwe. Od jakiegoś czasu naukowcy starają się więc zbudować na ziemi sztuczne słońce – reaktor, który produkowałby energię tak, jak powstaje ona we wnętrzu słońca. Eksperymenty prowadzone w USA, Japonii, Korei Południowej, Rosji, Francji i Niemczech wykorzystują najnowsze technologie i mają absolutne priorytety. Chodzi bowiem o urzeczywistnienie marzeń: powszechny i nieograniczony dostęp do energii. W eksperymencie, który trwa w Greifswaldzie, uczestniczy także Polska i naukowcy ze Szczecina.
Słońce jest niewyobrażalnie potężną kulą wrzącej plazmy, czyli silnie zjonizowanego gazu, czwartego stanu skupienia materii. W wnętrzu tej kuli trwa nieustanny ruch. Jądra izotopów wodoru, poddane potężnym prędkościom, zderzają się ze sobą i łączą (spalają) w hel. Uwalniają przy tym cząstki, które w postaci potężnych fal energii emitowane są w przestrzeń. Niewielka część tej energii trafia na Ziemię. Dzięki niej jest życie.
Dziewięć lat powstawał Wendelstein 7-X, niezwykle skomplikowane urządzenie, którego komora o średnicy 5,5 metra może pomieścić 30 metrów sześciennych plazmy. Na początku grudnia ubiegłego roku po raz pierwszy uzyskano w niej plazmę z helu i utrzymano ją przez ułamek sekundy w temperaturze 6 mln st. Celsjusza. Potem zaczęto przygotowywać reaktor do następnej fazy eksperymentu – uzyskania plazmy z wodoru. Czyszczono komorę helem, testowano urządzenia rozgrzewające plazmę i rejestrujące dane, rentgenospektrometry, mierniki interferencji, magnesy, rozsiewacze lasera, diagnostykę wideo. Sprawdzano urządzenia przesyłowe, dzięki którym w przyszłości energię uwolnioną w komorze będzie można wykorzystywać w elektrowniach. W końcu kierownik projektu, prof. dr Thomas Klinger, zarządził przystąpienie do próby uzyskania plazmy z wodoru. Na specjalną sesję zaproszono gości ze świata nauki, polityki, media.
Pierwszą plazmę z wodoru uzyskano 3 lutego, trzy tygodnie temu. Reaktor uruchomiła kanclerz Angela Merkel, fizyk z wykształcenia, gość specjalny, poczym urządzenie mikrofalowe, zaledwie 2-megawatowe, rozgrzało nikłą ilość wodoru, znajdującą się w komorze reaktora, w ultra rozrzedzoną plazmę o temperaturze 80 mln. st. Celsjusza, utrzymywaną wewnątrz komory dzięki niezwykle silnym magnesom. Z jąder atomów wodoru uwolniły się elektrony i szybowały między ścianami komory, magnetycznej klatki. Trwało to czwartą część sekundy. Efekt eksperymentu – błysk plazmy pokazał się na ekranach monitorów w sali sąsiadującej z halą stellaratora. Rozległy się wiwaty i oklaski.
– Pierwsza plazma z wodoru całkowicie spełniła nasze oczekiwania – mówił dr Hans-Stephan Bosch, pracujący nad uruchamianiem Wendelsteina 7-X.
Faza eksperymentu, która zaczęła się na początku lutego, potrwa do połowy marca. Później w komorze na plazmę będą montowane kafle węglowe, zabezpieczające jego ściany, oraz dywertor, urządzenie do odprowadzania zanieczyszczeń i helu z komory.
– Po tych zmianach reaktor będzie mógł osiągać wyższe temperatury i dłuższe okresy utrzymywania plazmy, aż do dziesięciu sekund – mówił prof. Klinger. Ostatecznie, przy pomocy wyładowań, trwających pół godziny, ma być uzyskana plazma o temperaturze ponad 100 mln. st. Celsjusza. Strumień uwolnionych cząstek będzie wtedy maksymalnie obfity. Pierwsze elektrownie, korzystające z produkowanej na ziemi energii słonecznej, mogą powstać za trzydzieści-czterdzieści lat.
Reaktor termojądrowy jest bezpieczny. Nawet gdyby doszło do jego rozszczelnienia, plazma nie wydostałaby się na zewnątrz, bowiem jej gęstość jest wielokrotnie niższa od gęstości powietrza. Powietrze by ją zagasiło. Oczywiście są niebezpieczeństwa, jak na przykład promieniowanie rentgenowskie, dlatego też reaktor znajduje się w hali o betonowych, grubych murach, zamykanej podczas eksperymentu.
W procesie syntezy praktycznie nie będą powstawały odpady radioaktywne, nie będzie emisji gazów cieplarnianych. Energia, uwolniona podczas syntezy, ogrzeje wodę i zmieni ją w parę, która napędzi turbinę prądotwórczą. Ot, cała filozofia.
W Niemczech sprawdzane są dwa rodzaje urządzeń do syntezy termojądrowej: stellarator Wendelstein 7-X w Greifswaldzie i tokamak ASDEX Upgade w Garching pod Monachium. Jeszcze nie się powiedzieć, które okaże się bardziej efektywne. W państwach, które prowadza podobne badania, sprawdzane są jeszcze inne drogi dochodzenia do tego samego celu.
Koszt eksperymentu w Greifswaldzie: 1,6 miliarda euro.
Bogdan TWARDOCHLEB
Wendelstein 7-X w grudniu 2015 roku
Fot.: IPP, Thorsten BRÄUER
Pierwsza plazma z wodoru, uzyskana 3 lutego 2015 r. w reaktorze Wendelstein 7-X
Fot.: IPP
