Zdjęcie: Naukowcy pracują nad magnesem o mocy 20 tesli, umieszczonym w lodówce, która chłodzi go do temperatury -200 stopni Celsjusza.
Według Commonwealth Fusion Systems, innowacje mogą doprowadzić do powstania kompaktowej elektrowni termojądrowej do 2025 r.
Nieuchwytny cel, jakim jest energia termojądrowa, może być o wiele bliższy rzeczywistości niż myśleliśmy dzięki nowemu rodzajowi magnesu nadprzewodzącego. Tak przynajmniej twierdzą naukowcy z Commonwealth Fusion Systems (CFS), którzy 8 września zaprezentowali na konferencji prasowej elektromagnes w kształcie litery D o długości 2 metrów i szerokości 1 metra twierdząc, że wytworzył on pole magnetyczne około 500 000 razy większe od naturalnego pola Ziemi, czyli dwa razy silniejsze niż jakikolwiek inny podobny magnes nadprzewodzący. Naukowcy z założonej w Massachusetts firmy twierdzą, że ich magnes powinien umożliwić im zbudowanie stosunkowo niewielkiej prototypowej elektrowni termojądrowej do 2025 roku - choć przyznają, że muszą jeszcze pokonać wiele innych technologicznych wyzwań.
Powstała w Instytucie Technologicznym Massachusetts (MIT) w 2018 roku firma CFS postawiła na rozwój magnesów wykonanych z egzotycznych wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodzących, które mogą wytwarzać pola dwukrotnie silniejsze niż konwencjonalne magnesy nadprzewodzące. Tak więc udany test magnesu, osiągnięty 5 września, oznacza triumf dla firmy. „3 lata temu nie wiedzieliśmy nawet, czy taki magnes może istnieć, a dziś już go mamy" - mówi Bob Mumgaard, fizyk badający plazmę oraz współzałożyciel i dyrektor generalny CFS.
Reaktor termojądrowy, czyli tokamak, ma na celu przechwytywanie energii uwalnianej w momencie, gdy jądra deuteru i trytu, ciężkich izotopów wodoru, łączą się ze sobą, wytwarzając hel i energetyczne neutrony. Aby tego dokonać, tokamak wykorzystuje intensywne pola magnetyczne do uwięzienia i ściśnięcia bardzo gorącego, zjonizowanego gazu, czyli plazmy, w komorze próżniowej w kształcie opony. Naukowcy nie zbudowali jednak jeszcze tokamaka, który produkowałby więcej energii niż zużywał, i od dawna uważają, że taki reaktor musi być duży, aby osiągnąć próg rentowności. Na przykład międzynarodowy tokamak ITER, który jest budowany we Francji i ma na celu przekroczenie progu rentowności, ma komorę próżniową o wysokości 11 metrów i szerokości 19 metrów.
Jednak dzięki magnesom wysokopolowym, naukowcy z CFS twierdzą, że tokamaki mogą być znacznie mniejsze - a co za tym idzie, tańsze i łatwiejsze w budowie. Naukowcy z CFS postanowili stworzyć wymagane magnesy, nawijając cewki z wysokotemperaturowych nadprzewodników zwanych rzadkimi tlenkami miedzi baru, zamiast zwykłych metali nadprzewodzących, takich jak cyna niobu. Po schłodzeniu do temperatury bliskiej zera bezwzględnego, nadprzewodnik przewodzi prąd elektryczny bez oporu, o ile natężenie prądu i pole magnetyczne nie są zbyt duże. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe - nazwane tak, ponieważ nadprzewodzą w stosunkowo wysokich na tą dziedzinę temperaturach, nieco powyżej temperatury ciekłego azotu (prawie -200 stopni Celsjusza) - mogą wytrzymać wyższe pola magnetyczne niż konwencjonalne nadprzewodniki.
Wyzwanie polegało głównie na stworzeniu magnesu, który byłby w stanie wytrzymać ogromne naprężenia mechaniczne generowane przez samo pole magnetyczne, które naciska z powrotem na cewki przewodzące prąd, mówi Brian LaBombard, fizyk zajmujący się badaniem plazmy i inżynier z MIT, który pracował nad magnesem. „Można sobie to wyobrazić jako ciśnienie w balonie" - mówi. Zwykłe nadprzewodniki mogą być przekształcone w wytrzymały drut, który można zwinąć w cewkę, ale nadprzewodniki wysokotemperaturowe mają postać stosunkowo delikatnej taśmy. Aby stworzyć magnes, naukowcy z CFS wymyślili konstrukcję, w której cienkie warstwy taśmy są umieszczone pomiędzy mocniejszymi warstwami metalu. „Musi to być tak dużo metalu, jak to tylko możliwe" - mówi LaBombard. „A projekt, nad którym pracujemy, przesuwa to do granic możliwości".
W ostatnim teście, nowy magnes wytwarzał pole 20 Tesli przez około 5 godzin, choć badacze CFS twierdzą, że mogli podtrzymywać pole w nieskończoność. Z magnesem w ręku, firma twierdzi, że jest gotowa do realizacji swojego kolejnego celu: opracowania prototypu reaktora o nazwie SPARC, który - podobnie jak ITER - będzie miał na celu pokazanie, że tokamak może generować więcej energii niż zużywa. W SPARC naukowcy użyją 18 cewek, takich jak w prototypie 20 Tesli, do otoczenia toroidalnej komory próżniowej. „Ten magnes pozwolił nam opracować procesy produkcyjne, sprzęt i łańcuch dostaw w skali, która jest odpowiednia dla komercyjnej syntezy jądrowej" - mówi Joy Dunn, inżynier ds. produkcji z CFS.
Sam magnes nie czyni jednak tokamaka. Zeszłoroczny raport Narodowej Akademii Nauk, Inżynierii i Medycyny wykazał, że aby prototypowa elektrownia termojądrowa mogła powstać do 2040 roku, branża musi pokonać jeszcze wiele innych wyzwań technologicznych. Wśród nich są materiały, które są w stanie wytrzymać wysokie temperatury i bombardowanie neutronami z plazmy, a także lepsze systemy odprowadzania gorącego helu z komory próżniowej. Mumgaard zgadza się, że te problemy wciąż muszą zostać rozwiązane. Twierdzi jednak, że wszystkie one staną się znacznie łatwiejsze do rozwiązania w wysokopolowym, kompaktowym tokamaku.
Ogólnie rzecz biorąc, nowy magnes może zapowiadać zmianę sposobu myślenia o przyszłych reaktorach, bez względu na specyfikę ich konstrukcji - mówi Dennis Whyte, fizyk badający plazmę i inżynier z MIT: „To jest, moim zdaniem, przypływ, który podniesie wszystkie łodzie".
