Fuzja jądrowa, proces zasilający nasze Słońce, od dekad pozostaje największym marzeniem energetycznym ludzkości. Gdyby udało się ją opanować na Ziemi, mogłaby zapewnić nieograniczone, bezemisyjne źródło energii. Wyzwanie jest jednak ogromne – fuzja wymaga temperatur wyższych niż we wnętrzu Ziemi oraz mistrzowskiego opanowania plazmy, czyli supergorącego gazu, w którym jądra atomów zderzają się i łączą, uwalniając ogromne ilości energii. Utrzymanie tej plazmy wystarczająco długo, aby wygenerować użyteczną energię, pozostawało dotąd nieuchwytnym celem.
Dwie firmy – niemiecka Proxima Fusion i amerykańska Type One Energy z Tennessee – poczyniły znaczący krok naprzód, publikując recenzowane naukowo plany swoich konkurencyjnych projektów stellaratorów. Dwa tygodnie temu Type One opublikowała sześć artykułów technicznych w specjalnym wydaniu Journal of Plasma Physics. Proxima przedstawiła swój w pełni zintegrowany koncept elektrowni stellaratorowej o nazwie Stellaris w czasopiśmie Fusion Engineering and Design. Obie firmy twierdzą, że publikacje te dowodzą, iż ich maszyny mogą dostarczyć komercyjną energię fuzyjną już w latach 30. XXI wieku.
Rewolucyjna koncepcja stellaratora
W sercu obu podejść leży stellarator – urządzenie o fascynująco złożonej konstrukcji, które wykorzystuje skręcone pola magnetyczne do stabilnego utrzymania plazmy. Ta konfiguracja, wymyślona po raz pierwszy w latach 50. XX wieku, obiecuje kluczową przewagę nad swoim popularniejszym kuzynem, tokamakiem. W przeciwieństwie do tokamaka, stellarator może działać w trybie ciągłym, bez potrzeby generowania silnego wewnętrznego prądu w plazmie. Zamiast tego stellaratory wykorzystują zewnętrzne cewki magnetyczne, co znacząco zmniejsza ryzyko nagłych zakłóceń pola plazmowego, które mogą powodować uderzanie wysokoenergetycznych cząstek w ściany reaktora.
Minusem jest to, że stellaratory, choć teoretycznie prostsze w obsłudze, są niezwykle trudne do zaprojektowania i zbudowania. Jednak najnowsze postępy w mocy obliczeniowej komputerów, nadprzewodzących magnesach wysokotemperaturowych (HTS) oraz optymalizacji geometrii magnesów wspomaganej przez sztuczną inteligencję zmieniają reguły gry. Te technologie pomagają naukowcom odkrywać wzorce prowadzące do prostszych, szybszych i tańszych projektów stellaratorów.
Dwie wizje fuzji z jednym celem
Choć obie firmy dążą do tego samego celu – praktycznej, komercyjnej energii fuzyjnej – publikacja Proximy koncentruje się bardziej na inżynieryjnej integracji reaktora, podczas gdy artykuły Type One ujawniają szczegóły projektu fizyki plazmy i kluczowych komponentów reaktora.
Proxima, firma wyodrębniona z niemieckiego Instytutu Fizyki Plazmy Maxa Plancka, zamierza zbudować stellaratorową elektrownię o mocy 1 gigawata. Projekt wykorzystuje magnesy HTS i optymalizację AI do generowania większej mocy na jednostkę objętości niż wcześniejsze stellaratory, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu ogólnych rozmiarów. Proxima złożyła wniosek o patent na innowacyjny płynno-metalowy koc zarodnikowy (breeding blanket), który będzie wykorzystywany do wytwarzania paliwa trytowego dla reakcji fuzji poprzez reakcję neutronów z litem.
„To pierwszy raz, gdy ktoś połączył wszystkie elementy w jedną, w pełni zintegrowaną koncepcję” – mówi współzałożyciel i główny naukowiec Proximy, Jorrit Lion. Projekt bazuje na stellaratorze Wendelstein 7-X, wartym 1,4 miliarda euro (1,5 miliarda dolarów) projekcie finansowanym przez rząd niemiecki i Unię Europejską, który ustanowił rekordy temperatury elektronowej, gęstości plazmy i czasu utrzymania energii.
Projekt stellaratora Type One Energy obejmuje trzy kluczowe innowacje: zoptymalizowane pole magnetyczne dla stabilności plazmy, zaawansowane techniki produkcji oraz najnowocześniejsze magnesy HTS. Elektrownia o nazwie Infinity Two ma wytwarzać 350 megawatów energii elektrycznej.
Podobnie jak elektrownia Proximy, Infinity Two będzie wykorzystywać paliwo deuterowo-trytowe i czerpać z doświadczeń zdobytych dzięki W7-X oraz projektowi HSX z Wisconsin, gdzie pracowało wielu założycieli Type One przed utworzeniem firmy. We współpracy z Tennessee Valley Authority, Type One planuje zbudować Infinity Two w elektrowni TVA Bull Run Fossil Plant do połowy lat 30. XXI wieku.
„Dlaczego jesteśmy pierwszą prywatną firmą fuzyjną z umową na budowę elektrowni fuzyjnej z przedsiębiorstwem energetycznym? Ponieważ mamy projekt oparty na rzeczywistości” – mówi Christofer Mowry, dyrektor generalny Type One Energy. „Tu nie chodzi o budowanie eksperymentu naukowego. Tu chodzi o dostarczanie energii.”
Sztuczna inteligencja wskazuje idealną strukturę pola magnetycznego
Obie firmy w dużym stopniu polegały na AI i superkomputerach, które pomogły im rozmieścić cewki magnetyczne tak, aby precyzyjniej kształtować pola magnetyczne. Type One korzystała z szeregu zasobów obliczeniowych o wysokiej wydajności, w tym najnowocześniejszego superkomputera eksaskalowego Frontier Departamentu Energii USA w Oak Ridge National Laboratory, do zasilania swoich szczegółowych symulacji.
Badania te doprowadziły do jednego z bardziej intrygujących odkryć zawartych w tych publikacjach: możliwego dążenia do konsensusu w środowisku fizyków stellaratorów co do idealnej trójwymiarowej struktury pola magnetycznego.
Zespół Proximy zawsze stosował podejście quasi-izodynamiczne (QI), używane w W7-X, które priorytetowo traktuje głębokie pułapkowanie cząstek dla lepszego utrzymania plazmy. Z kolei Type One budowała swoje wczesne projekty w oparciu o quasi-symetrię (QS), inspirowaną stellaratorem HSX, który miał na celu usprawnienie ruchu cząstek. Teraz, na podstawie badań optymalizacyjnych, Type One zmienia kurs.
„Byliśmy czempionami quasi-symetrii” – mówi główny teoretyk Type One, Chris Hegna. „Ale niespodzianką było to, że nie mogliśmy sprawić, by quasi-symetria działała tak dobrze, jak myśleliśmy, że może. Będziemy kontynuować badania nad quasi-symetrią, ale przede wszystkim wygląda na to, że QI jest dominującym wyborem optymalizacyjnym, który zamierzamy realizować.”
Droga przed stellaratorami
Według Hegny, partnerstwo Type One z TVA może wprowadzić elektrownię fuzyjną stellaratora do sieci do połowy lat 30. XXI wieku. Ale zanim zbuduje Infinity Two, firma planuje walidację kluczowych technologii za pomocą platformy testowej Infinity One, której budowa planowana jest na 2026 rok, a uruchomienie na 2029 rok.
Tymczasem Proxima planuje ożywić swój projekt Stellaris do lat 30. XXI wieku, najpierw z demonstracyjnym stellaratorem o nazwie Alpha. Firma twierdzi, że Alpha będzie pierwszym stellaratorem, który zademonstruje produkcję energii netto w stanie ustalonym. Ma zadebiutować w 2031 roku, po ukończeniu w 2027 roku demonstracyjnego zestawu złożonych cewek magnetycznych.
Obie firmy stoją przed wspólnym wyzwaniem: finansowaniem. Type One pozyskała 82 miliony dolarów i, według serwisu Axios, przygotowuje się do pozyskania ponad 200 milionów dolarów w finansowaniu Serii A, czego firma nie potwierdziła. Proxima zabezpieczyła około 65 milionów dolarów w kapitale publicznym i prywatnym.
Jeśli niedawne publikacje pomogą zbudować zaufanie do stellaratorów, inwestorzy mogą być bardziej skłonni do finansowania tych ambitnych projektów. Nadchodząca dekada pokaże, czy zaufanie obu firm do własnych projektów jest uzasadnione i czy produkcja energii fuzyjnej ze stellaratorów przejdzie z ambicji naukowej do komercyjnej rzeczywistości.
Przełomowe korzyści technologii
Stellaratory oferują kilka przełomowych korzyści, które mogą zadecydować o ich sukcesie w wyścigu do komercyjnej fuzji. Przede wszystkim, ich wrodzona stabilność wynika z faktu, że cała konfiguracja magnetyczna jest determinowana przez zewnętrzne cewki, eliminując zależność od prądu plazmowego, który w tokamakach może prowadzić do niestabilności. To fundamentalna różnica, która daje stellaratorom przewagę w kontekście długotrwałego, niezawodnego działania.
Kolejną kluczową zaletą jest możliwość pracy ciągłej. W przeciwieństwie do tokamaków, które zazwyczaj działają w trybie impulsowym, stellaratory mogą teoretycznie pracować bez przerwy, co jest niezbędne dla komercyjnej produkcji energii. Electrownia, która musi regularnie przerywać produkcję energii, jest znacznie mniej efektywna ekonomicznie niż taka, która może działać nieprzerwanie.
Stellaratory charakteryzują się również mniejszą podatnością na zakłócenia, które mogą prowadzić do nagłego wygaszenia plazmy. W tokamakach takie zdarzenia mogą powodować poważne uszkodzenia reaktora i przestoje w działaniu. Brak prądu plazmowego w stellaratorach znacząco redukuje to ryzyko.
- Wrodzona stabilność dzięki zewnętrznym cewkom magnetycznym
- Możliwość ciągłej pracy bez przerw na regenerację
- Mniejsze ryzyko zakłóceń i uszkodzeń reaktora
- Potencjalnie dłuższa żywotność komponentów
- Lepsza przewidywalność operacyjna
Wyzwania inżynieryjne i ekonomiczne
Mimo obiecujących perspektyw, stellaratory muszą zmierzyć się z poważnymi wyzwaniami inżynieryjnymi i ekonomicznymi. Największym z nich jest złożoność cewek magnetycznych. Projektowanie i budowa precyzyjnych, trójwymiarowych cewek o skomplikowanych kształtach to niezwykle trudne i kosztowne zadanie. Każda niedokładność może znacząco wpłynąć na wydajność reaktora.
Kolejnym wyzwaniem jest wymagająca inżynieria związana ze złożoną geometrią stellaratora. Stwarza to problemy w zakresie budowy, utrzymania i dostępu do wnętrza reaktora. Konserwacja i wymiana komponentów w tak skomplikowanej strukturze to logistyczny koszmar, który może wpływać na koszty operacyjne i dostępność elektrowni.
Historycznie, stellaratory miały również gorsze właściwości uwięzienia cząstek w porównaniu z tokamakami. Choć nowoczesne projekty starają się przezwyciężyć ten problem poprzez zaawansowaną optymalizację, pozostaje to obszarem intensywnych badań i rozwoju.
Koszty budowy stellaratorów są znacznie wyższe niż w przypadku tokamaków o porównywalnej mocy. Wendelstein 7-X, kosztujący 1,5 miliarda dolarów, jest przykładem skali inwestycji niezbędnych do budowy zaawansowanego stellaratora eksperymentalnego. Dla komercyjnych elektrowni koszty te będą jeszcze wyższe, co stanowi poważną barierę wejścia dla potencjalnych inwestorów.
- Ekstremalna złożoność geometryczna cewek magnetycznych
- Wysokie wymagania dotyczące precyzji produkcji
- Trudności w dostępie do komponentów i ich konserwacji
- Wysokie koszty kapitałowe i długi czas budowy
- Wyzwania związane z integracją systemów
Fascynujący wyścig między dwiema różnymi koncepcjami stellaratorów pokazuje, jak szybko rozwija się ta dziedzina. Konwergencja obu firm w kierunku podejścia quasi-izodynamicznego (QI) sugeruje, że być może zbliżamy się do konsensusu naukowego dotyczącego optymalnej konfiguracji pola magnetycznego. Jeśli którakolwiek z tych firm zdoła zrealizować swoje ambitne plany, może to oznaczać przełom w produkcji czystej energii, o którym naukowcy marzą od ponad 70 lat.
Najbliższe lata będą decydujące dla przyszłości stellaratorów. Sukces projektów Proxima Fusion i Type One Energy może przekonać inwestorów i decydentów politycznych do zwiększenia finansowania badań nad fuzją, co przyspieszy drogę do komercjalizacji tej rewolucyjnej technologii. Świat, który desperacko potrzebuje nowych, czystych źródeł energii, z zapartym tchem czeka na wyniki tych pionierskich przedsięwzięć.
