Podejście Wielkiej Brytanii do produkcji energii z fuzji nabrało kształtu wraz z ogłoszeniem programu STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) w 2019 r. Jego pierwsza faza (2019-2024) dobiegła końca wraz z wydaniem projektu koncepcyjnego zintegrowanego prototypu elektrowni fuzyjnej. Będzie on oparty na wykorzystaniu pola magnetycznego do ograniczania plazmy za pomocą tokamaka, jednak brytyjski STEP będzie używał tokamaka sferycznego zamiast tradycyjnego tokamaka w kształcie pączka, który jest używany w ITER. Uważa się, że tokamak sferyczny ma kilka zalet. Elektrownia zostanie zbudowana w hrabstwie Nottinghamshire i ma być gotowa do działania na początku lat 2040. XXI wieku.
Potrzeba niezawodnego źródła czystej energii, które mogłoby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na energię rosnącej populacji i światowej gospodarki i które mogłoby szybko pomóc stawić czoła wyzwaniom (wyczerpującym się paliwom kopalnym, emisjom dwutlenku węgla i zmianom klimatu, zagrożeniom dla środowiska związanym z reaktorami rozszczepienia jądrowego i niską skalowalnością odnawialnych źródeł energii) nigdy nie była odczuwalna tak intensywnie jak obecnie.
W naturze synteza jądrowa zasila gwiazdy, w tym nasze słońce, które zachodzi w jądrach gwiazd, gdzie panują warunki fuzji (tj. ekstremalnie wysoka temperatura rzędu setek milionów stopni Celsjusza i ciśnienie). Możliwość stworzenia kontrolowanych warunków fuzji na Ziemi jest kluczowa dla nieograniczonej czystej energii. Wiąże się to z budową środowiska fuzji o bardzo wysokiej temperaturze, aby wywołać zderzenia o wysokiej energii, które ma wystarczającą gęstość plazmy, aby zwiększyć prawdopodobieństwo zderzeń i które mogłoby ograniczyć plazmę na wystarczający czas, aby umożliwić fuzję. Oczywistym jest, że infrastruktura i technologia ograniczająca i kontrolująca przegrzaną plazmę są kluczowym wymogiem dla komercyjnej eksploatacji energii fuzji. Różne podejścia są badane i stosowane na całym świecie w celu ograniczenia plazmy w celu komercyjnej realizacji energii fuzji.
Fuzja bezwładnościowa (ICF)
W podejściu do fuzji bezwładnościowej warunki fuzji są tworzone przez szybkie sprężanie i podgrzewanie niewielkiej ilości paliwa fuzyjnego. National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) wykorzystuje technikę implozji napędzanej laserem do implozji kapsuł wypełnionych paliwem deuterowo-trytowym przy użyciu wiązek laserowych o wysokiej energii. NIF osiągnął zapłon fuzji po raz pierwszy w grudniu 2022 r. Następnie zapłon fuzji został zademonstrowany trzykrotnie w 2023 r., co potwierdziło dowód koncepcji, że kontrolowaną fuzję jądrową można wykorzystać do zaspokojenia potrzeb energetycznych.
Podejście do magnetycznego ograniczenia plazmy
Wykorzystanie magnesów do ograniczania i kontrolowania plazmy w fuzji jest testowane w wielu miejscach. IITER, najbardziej ambitna współpraca w zakresie energii fuzyjnej 35 krajów z siedzibą w St. Paul-lez-Durance w południowej Francji, wykorzystuje torus pierścieniowy (lub urządzenie magnetyczne typu donut) zwany tokamakiem, który jest zaprojektowany do ograniczania paliwa fuzyjnego przez długi czas w wystarczająco wysokich temperaturach, aby mógł nastąpić zapłon fuzji. Wiodąca koncepcja ograniczania plazmy dla elektrowni fuzyjnych, tokamaki mogą utrzymywać reakcję fuzji tak długo, jak długo istnieje stabilność plazmy. Tokamak ITER będzie największy na świecie.
Brytyjski program fuzji STEP (Spherical Tokamak for Energy Production):
Podobnie jak ITER, program fuzji STEP w Wielkiej Brytanii opiera się na magnetycznym ograniczeniu plazmy za pomocą tokamaka. Jednak tokamak programu STEP będzie miał kształt kulisty (zamiast kształtu pączka ITER). Sferyczny tokamak jest kompaktowy, opłacalny i może być łatwiejszy do skalowania.
Program STEP ogłoszono w 2019 roku. Jego pierwsza faza (2019–2024) dobiegła końca wraz z opublikowaniem projektu koncepcyjnego prototypu zintegrowanego zespołu napędowego wykorzystującego technologię fuzji jądrowej.
Tematyczny numer Philosophical Transactions A Royal Society zatytułowany „Dostarczanie energii fuzyjnej – sferyczny tokamak do produkcji energii (STEP)”obejmujący 15 recenzowanych artykułów został opublikowany 26 sierpnia 2024 r., w którym szczegółowo opisano postęp techniczny programu projektowania i budowy pierwszego w Wielkiej Brytanii prototypu elektrowni do produkcji energii elektrycznej z fuzji. Artykuły przedstawiają kompletny obraz projektu i zarys wymaganych technologii oraz ich integrację z prototypem elektrowni do początku lat 2040. XXI wieku.
Program STEP ma na celu utorowanie drogi do komercyjnej opłacalności fuzji poprzez zademonstrowanie energii netto, samowystarczalności paliwowej i wykonalnej drogi do konserwacji elektrowni. Przyjmuje holistyczne podejście do dostarczania w pełni operacyjnego prototypu elektrowni, który również bierze pod uwagę wycofanie z eksploatacji jako część projektu.
***
Referencje:
- Rząd Wielkiej Brytanii. Informacja prasowa – Wielka Brytania światowym liderem w projektowaniu elektrowni fuzyjnych. Opublikowano 03 września 2024 r. Dostępne na stronie https://www.gov.uk/government/news/uk-leading-the-world-in-fusion-powerplant-design
- „Dostarczanie energii fuzyjnej – sferyczny tokamak do produkcji energii (STEP). Tematyczne wydanie Royal Society Philosophical Transactions A. Wszystkie 15 recenzowanych artykułów w numerze tematycznym opublikowanym 26 sierpnia 2024 r. Dostępne na https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2024/382/2280
- Brytyjscy naukowcy ujawniają fragmenty projektów nowej elektrowni fuzyjnej. Science. 4 września 2024 r. DOI: https://doi.org/10.1126/science.zvexp8a
***
Powiązane artykuły
- Brązowe karły (BD): Teleskop Jamesa Webba identyfikuje najmniejszy obiekt uformowany na wzór gwiazdy (5 January 2024)
- „Fusion Ignition” zademonstrowano po raz czwarty w Lawrence Laboratory (20 grudzień 2023)
- Fusion Ignition staje się rzeczywistością; Próg rentowności energii osiągnięty w Lawrence Laboratory (15 grudzień 2022)
***
