W lipcu 2019 roku Instytut Fizyki Plazmy (Institut für Plasmaphysik – IPP) w Greifswaldzie obchodził swoje 25. urodziny. Powstał ćwierć wieku temu jako druga placówka działającego w Garching (Bawaria) Instytutu Fizyki Plazmy Maxa Plancka. W Greifswaldzie zbudowano Wendelstein 7-X, największy na świecie reaktor syntezy termojądrowej typu stellarator. Jego nazwa wzięła się od łacińskiego słowa stella – gwiazda. Celem badań prowadzonych w Instytucie Fizyki Plazmy jest stworzenie w przyszłości elektrowni w pełni przyjaznej klimatowi i środowisku.
Pod koniec października br. IPP w Greifswaldzie oraz Uniwersytet Wisconsin-Madison (USA) podpisały porozumienie o wspólnych badaniach procesów, zachodzących w rozgrzanym stellaratorze.
Energia niewyczerpana
19 lipca 1994 roku, pięć lat po upadku muru berlińskiego i trzy lata po zjednoczeniu Niemiec, rząd Meklemburgii-Pomorza Przedniego i Stowarzyszenie Maxa Plancka podpisały ramowe porozumienie o utworzeniu w Greifswaldzie filii IPP. Zgodnie z nim Instytut Fizyki Plazmy Maxa Plancka powołał swoją drugą placówkę w mieście odległym o ponad 800 kilometrów od centrali w Garching, włączając się tym samym do rozbudowy placówek nauki we wschodnich landach. W Greifswaldzie postanowiono zbudować ośrodek badawczy Wendelstein 7-X, planowany już w latach 80. ubiegłego wieku, a w nim największy na świecie reaktor syntezy termojądrowej typu stellarator. W Garching działał już reaktor typu tokamak (ASDEX Upgrade).
Wykorzystując w badaniach dwa różne urządzenia – tokamak i stellarator – naukowcy chcą osiągnąć ten same cel: stworzyć warunki do produkcji energii dzięki syntezie jąder atomów, czyli tak, jak dzieje się to we wnętrzu słońca. Będzie to mogło stać się dopiero wtedy, jeśli plazmę – zjonizowany wodór – uda się w reaktorze rozgrzać do temperatury wnętrza słońca – ponad 100 mln stopni Celsjusza! Tylko bowiem w takich warunkach będzie mogło dojść do syntezy. Plazmę, rozgrzaną w reaktorze i krążącą w próżni, utrzymują wewnątrz reaktora pola magnetyczne.
Badania zmierzają do tego, by w przyszłości można było absolutnie bezpiecznie produkować energię elektryczną w pełni przyjazną środowisku i praktycznie niewyczerpywalną. W Garching sprawdzana jest przydatność do tego celu tokamaka ASDEX Upgrade, a w Greifswaldzie stellaratora Wendelstein 7-X.
Europejska wspólnota nauki
Gdy w 1994 roku podpisywano porozumienie o utworzeniu placówki IPP w Greifswaldzie, ówczesna minister edukacji Meklemburgii-Pomorza Przedniego Steffie Schnoor mówiła: – Porozumienie włącza nasz młody land do europejskiej wspólnoty badań naukowych i wzmocni jego przyszłość jako ośrodka nauki. W ten sposób tu i teraz realizuje się część jedności Niemiec.
Dwa lata później Unia Europejska potwierdziła, że przejmuje 45 proc. kosztów inwestycji w Greifswaldzie. W różnych państwach Europy zostały złożone pierwsze zlecenia. W 2000 roku biura instytutu przeprowadziły się z wynajętych pomieszczeń do nowych gmachów przy nowej ulicy, która przyjęła nazwę od nazwy reaktora – Wendelsteinstraße.
Wielki eksperyment zaczął się w 2005 roku, choć jeszcze budowano i oddawano do użytku kolejne obiekty IPP. Po dziesięciu latach prac i ponad milionie roboczogodzin przeznaczonych na montaż, Wendelstein 7-X był gotowy. Podczas jego budowy współpracowały ze sobą placówki naukowe z Niemiec i innych państw, także z Polski. Inwestycja, finansowana przez budżet federalny, kraj związkowy Meklemburgia-Pomorze Przednie i Unię Europejską, kosztowała netto około 400 mln euro. Wartość zamówień, które trafiły do firm lokalnych i regionalnych, wyniosła 100 mln euro.
Utrzymać rozgrzaną plazmę
W 2015 roku udało się w reaktorze Wendelstein 7-X uzyskać pierwszą plazmę z helu, a w roku 2016 – plazmę wodorową. Już rok później reaktor ustanowił rekord świata stellaratorów w otrzymywaniu rozgrzanej plazmy. Obecnie, po rozbudowie urządzenia, trwającej ponad dwa lata, powinno się w nim utrzymać rozpaloną plazmę nie przez 10 do 100 sekund, jak dotychczas, lecz do trzydziestu minut. Umożliwi to przeprowadzenie prób, które pozwolą sprawdzić, czy Wendelstein 7-X będzie mógł plazmę wodorową, rozgrzaną do temperatury wnętrza słońca, utrzymywać trwale.
– Nadzieje byłego dyrektora IPP prof. Klausa Pinkaua, który zdecydowanie wspierał utworzenie nowej placówki w Greifswaldzie, spełniły się. Został osiągnięty całkowity naukowy sukces – mówi kierownik projektu prof. Thomas Klinger. – Wendelstein 7-X, przedsięwzięcie i niemieckie, i europejskie, jest gotowy do startu. Interesują się nim naukowcy i kooperanci z całego świata.
Zespół badawczy Wendelsteina tworzy ponad 400 osób. Około połowa z nich jest związana z Europejskim Programem Badawczym Syntezy Termojądrowej, druga połowa jest z USA, Japonii, Australii.
Współpraca niemiecko-amerykańska
Pod koniec października 2019 roku IPP Greifswald i Uniwersytet Wisconsin-Madison utworzyły międzynarodowe laboratorium optymalizacji wzbogaconych dywertorów, urządzeń do usuwania zanieczyszczeń z reaktora, włączone do Wspólnoty Helmholtz, największej instytucji badawczej w Niemczech. Laboratorium umożliwi pogłębienie dotychczasowej korzystnej współpracy IPP Greifswald z Uniwersytetem Wisconsin jako placówką centralną w projekcie, innymi uniwersytetami amerykańskimi oraz Instytutem Badawczym w Jülich (Nadrenia Północna-Westfalia). Naukowcy, którzy wezmą udział w przedsięwzięciu, będą mieli do dyspozycji zarówno Wendelsteina 7-X w Greifswaldzie, jak też znacząco mniejszy, lecz bardzo elastyczny stellarator HSX (Helical Symmetric Experiment) w Madison. Oba urządzenia różnią się nie tylko wielkością, lecz także odmiennymi koncepcjami budowy dywertora i optymalizacji dostarczania izotopów wodoru do rozgrzanej plazmy. Badacze będą też mogli wykorzystywać kompaktowy stellarator CTH (Compact Toroidal Hybrid), pracujący w Auburn (USA) oraz – do badań nad materiałami, aparatami pomiarowymi i wytrzymałością dywertorów – dwa linearne urządzenia plazmowe w Jülich i Madison. Tak wyposażone przedsięwzięcie powinno wspierać rozwój następnych generacji ulepszonych stellaratorów, a zwłaszcza prace koncepcyjne nad nowym średnim stellaratorem w Madison. Skorzysta na tym także Wspólnota Helmholtz, z którą IPP jest stowarzyszony, a która będzie mogła rozbudowywać współpracę z czołowymi ośrodkami badawczymi świata.
Koszty projektu, który ma zacząć się wiosną 2020 roku, poniosą Wspólnota Helmholtz, uniwersytety w Madison i Auburn, IPP i ośrodek w Jülich.
Już za 30 lat?
Powtórzmy: celem badań nad syntezą termojądrową jest rozwój energetyki przyjaznej klimatowi i środowisku. Chodzi bowiem o to, żeby człowiek mógł wytwarzać energię tak, jak robi to Słońce – dzięki syntezie jąder atomów. Ośrodek badawczy Wendelstein 7-X w Greifswaldzie chce dowieść przydatności stellaratorów do syntezy termojądrowej, a tym samym do produkcji energii. Jeśli eksperyment się powiedzie, pierwsza elektrownia termojądrowa, włączona do sieci energetycznej, będzie mogła powstać mniej więcej za 30 lat.
Bogdan TWARDOCHLEB
(opracowanie na podstawie materiałów prasowych IPP)
