„Sztuczne słońce” Chin z potężnym magnesem. Co oznacza przełom dla fuzji jądrowej?

To ważny etap projektu BEST (Burning Plasma Experimental Superconducting Tokamak), który ma być pośrednim krokiem między działającym tokamakiem EAST a znacznie większym reaktorem CFETR. Sukces testów przybliża Chiny do ambitnego celu: zademonstrowania produkcji energii elektrycznej z kontrolowanej fuzji jądrowej około 2030 roku .

Magnes o masie 582 ton — najważniejsze parametry

Największym elementem jest cewka pola toroidalnego (TF) w kształcie litery D. W tokamaku ma ona wytwarzać silne pole magnetyczne, które utrzymuje niezwykle gorącą plazmę z dala od ścian komory reaktora.

Jej najważniejsze parametry to:

• masa: 582 tony ;
• wymiary: 21 metrów długości, 12 metrów szerokości i 3,3 metra wysokości ;
• stabilny prąd podczas testów: 60 kiloamperów ;
• zgromadzona energia: 6,03 megadżula na cewkę ;
• natężenie pola magnetycznego: około 6,5 tesli — mniej więcej od dwóch do czterech razy więcej niż w szpitalnym rezonansie magnetycznym ;
• zakładana trwałość: około 40 tysięcy impulsów plazmy .

Magnes zaprojektowano z myślą o utrzymywaniu plazmy rozgrzanej do ponad 100 milionów °C, czyli temperatury około sześciokrotnie wyższej niż temperatura jądra Słońca . Docelowo 16 takich cewek ma zostać połączonych, aby utworzyć toroidalne pole magnetyczne reaktora BEST .

Jak wypada na tle ITER?

W porównaniu z odpowiednim magnesem pola toroidalnego projektowanym dla ITER chińska cewka ma:

• 1,3 raza większą objętość ;
• około trzykrotnie większą zgromadzoną energię .

Nie oznacza to jednak, że BEST jest większym reaktorem niż ITER. Międzynarodowy projekt ITER pozostaje znacznie większą całościową maszyną: jego duży promień wynosi około 6,2 metra, podczas gdy w BEST ma wynosić 3,6 metra .

BEST ma pełnić inną funkcję. Ma być największym działającym tokamakiem deuterowo-trytowym przed uruchomieniem ITER, a zarazem pomostem między chińskim EAST a planowanym reaktorem China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) .

Solenoid centralny, czyli „zapłon” tokamaka

Równolegle przetestowano modelową cewkę solenoidu centralnego (CS) w ramach programu CRAFT . W uproszczeniu można ją porównać do „zapłonnika” tokamaka: pomaga indukować i podtrzymywać prąd plazmy .

Badacze z Instytutu Fizyki Plazmy podkreślali, że działanie solenoidu bezpośrednio wpływa na to, czy urządzenie fuzyjne będzie można uruchomić i utrzymać w pracy . Wspólnie z cewkami pola toroidalnego tworzy on jeden z kluczowych układów magnetycznych przyszłego reaktora.

Sześć lat prac i pełna produkcja krajowa

Oba magnesy opracowano w ramach CRAFT (Comprehensive Research Facility for Fusion Technology) — chińskiego kompleksu badawczego w Hefei, stworzonego do projektowania i testowania pełnowymiarowych komponentów reaktorów fuzyjnych przed ich instalacją w BEST .

Program trwał około sześciu lat . Według chińskich ośrodków badawczych zastosowano w nim krajowe materiały nadprzewodzące, własne rozwiązania konstrukcyjne oraz procesy produkcyjne. Wszystkie kluczowe technologie miały osiągnąć poziom 100-procentowej produkcji krajowej .

To istotne nie tylko z punktu widzenia samego BEST. CRAFT ma również rozwijać technologie, materiały i standardy potrzebne przy budowie kolejnych urządzeń, w tym CFETR .

Kiedy Chiny chcą uzyskać energię z fuzji?

Chiński harmonogram jest bardzo ambitny:

• 30 czerwca 2023 roku rozpoczęto budowę reaktora BEST; zakończenie prac zaplanowano na koniec 2027 roku ;
• pierwsza plazma ma pojawić się pod koniec 2027 roku ;
• około 2030 roku Chiny chcą zademonstrować wytwarzanie energii elektrycznej z fuzji — cel ten bywa obrazowo opisywany jako zapalenie „pierwszej lampy zasilanej energią fuzyjną” ;
• kolejnym etapem ma być większy CFETR, którego uruchomienie prognozowane jest w okolicach 2030 roku, a elektrownie fuzyjne podłączone do sieci mają pojawić się dopiero w późniejszych dekadach .

Jak ocenił „The Economist”, tak zakrojony harmonogram stawia Chiny mniej więcej dekadę przed innymi państwami w wyścigu po energię z fuzji . Sam test rekordowego magnesu nie oznacza jeszcze, że komercyjna elektrownia jest blisko. Pokazuje jednak, że jeden z najtrudniejszych problemów inżynieryjnych — budowa wielkich, precyzyjnych układów nadprzewodzących — został przez chiński program pokonany na ważnym etapie.