KSTAR – Korejsko umjetno sunce…

Pri temperaturi od 100 milijuna stupnjeva Celzijusa, teški izotopi vodika unutar plazme započinju fuzijski proces, oslobađajući energiju na način analogan procesima u središtu Sunca.

Najnovija dostignuća u razvoju korejskog fuzijskog reaktora, često opisivanog kao “umjetno Sunce” zbog njegovih izvanrednih karakteristika, omogućila su postavljanje novog rekorda. Zahvaljujući naprednim komponentama osmišljenim za izdržavanje ekstremnih temperatura, ovaj reaktor je uspješno održao vrtlog plazme na temperaturi od nevjerojatnih 100 milijuna stupnjeva Celzija gotovo 50 sekundi. Ovaj impresivan napredak značajno nadmašuje prethodne uspjehe Korejskog superprovodljivog tokamak reaktora za napredna istraživanja (KSTAR), koji je već postavljao svjetske standarde u dužini trajanja i sposobnosti zadržavanja iznimno visokih temperatura plazme unutar svoje jedinstveno dizajnirane prstenaste komore.

Pri temperaturi od 100 milijuna stupnjeva Celzijusa, teški izotopi vodika unutar plazme započinju fuzijski proces, oslobađajući energiju na način analogan procesima u središtu Sunca. Ključni izazov u razvoju nuklearne fuzije, tehnologije koja nudi viziju čiste i praktički neograničene energije, leži u sposobnosti efikasne kontrole ovog dinamičnog stanja plazme putem magnetskih polja. Najnoviji uspjeh KSTAR-a predstavlja ključan korak naprijed u suočavanju s bitnim izazovima na putu prema komercijalizaciji fuzijske energije, unatoč činjenici da su i druge fuzijske jedinice unutar iste kategorije tehnologije već ostvarile zapažene uspjehe.

Provedenim testiranjima novorazvijenih komponenata, KSTAR je značajno doprinio napretku Međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora (ITER), projekta s ambicijom postati najveći tokamak fuzijski reaktor na svijetu, pod pretpostavkom da prevlada financijska i tehnička odstupanja. Objava o postavljenom rekordu, koju je nedavno objavio Korejski institut za fuzijsku energiju (KFE), rezultat je unapređenja provedenih 2023. godine na ključnoj komponenti reaktora – divertoru. Divertor, esencijalan za upravljanje vrhunskim temperaturama unutar reaktora te usmjeravanje otpadnih materijala, sada je izrađen od tungstena, materijala cijenjenog zbog svoje visoke točke taljenja i otpornosti na upijanje plazma goriva, što predstavlja značajnu nadogradnju u odnosu na prethodne divertore na bazi ugljika.

Nakon instalacije novih divertora od volframa prošle godine, KSTAR je ostvario značajan napredak, produžujući rekordno vrijeme fuzije na 48 sekundi tijekom svoje posljednje tromjesečne faze rada, čime je nadmašio prethodni rekord od 30 sekundi iz 2021. “Unatoč izazovima s kojima smo se suočili tijekom prvog eksperimenta u adaptiranom okruženju s divertorima od volframa, detaljna analiza hardvera i meticulozna priprema kampanje omogućili su nam da brzo postignemo rezultate koji premašuju dosadašnje rekorde KSTAR-a,” istaknuo je Si-Woo Yoon, direktor istraživačkog centra KSTAR.

Uspjeh nije bio zagarantiran

Uprkos visokim očekivanjima od performansi divertora na temperaturama koje znatno nadmašuju one na Suncu, uspjeh nije bio zagarantiran. Postojala je zabrinutost da bi promjene u materijalu i obliku divertora mogle dovesti do toga da volframa popusti ili da novi sistem ne uspije generirati plazmu. “Na početku kampanje, uočili smo da temperatura unutarnjeg zida tokamaka ne odgovara očekivanjima,” priznao je Hyunseok Kim, fizičar iz KFE. Ipak, brza prilagodba novim operativnim uvjetima i efikasno upravljanje plazmom pomoću magnetskih polja doveli su do značajnih pomaka.

Pored inovacija na divertorima od volframa, i druge nadogradnje imale su ključnu ulogu u poboljšanju performansi KSTAR-a. Suradnja s Odjelom za energiju SAD-a i Princeton Plasma Physics Laboratory te publikacija u Nature Communications u veljači otkrila je kako su istraživači uspjeli stabilizirati anomalije na rubovima plazme uzrokovane minijaturnim nepravilnostima u magnetskim zavojnicama koje zadržavaju plazmu na mjestu. Ovo poboljšanje omogućilo je postizanje drugog važnog uspjeha – održavanje plazme u visokoefikasnom stanju, poznatom kao visoka ‘ograničenost’ ili “H-mod”, tijekom 102 sekunde. Prethodni pokušaji bili su ograničeni na nekoliko sekundi prije nego što bi performanse reaktora dramatično pale.

Krajnji cilj je omogućiti da potpuno funkcionalna fuzijska elektrana radi na kritičnim temperaturama u H-modu dovoljno dugo za proizvodnju održive energije. Dosadašnji uspjesi predstavljaju ključan korak naprijed prema tom cilju. Hyeon-seon Han, član visokoproduktivnog istraživačkog tima unutar KFE, naglasio je da se trenutno analizira najnoviji skup eksperimentalnih podataka, što će biti ključno za buduće planove projekta ITER. Također se priprema objava rezultata i planiranje sljedeće faze istraživanja.

Han izražava optimizam u vezi s mogućnošću premašivanja 50-sekundne granice, približavajući se projektom cilju ostvarivanja 300 sekundi rada plazme na temperaturama iznad 100 milijuna stupnjeva do kraja 2026. To bi značilo šest puta duže trajanje od trenutnog rekorda KSTAR-a, ali i dalje nešto kraće u odnosu na kineski Eksperimentalni napredni superprovodljivi tokamak (EAST), koji je do travnja prošle godine mogao generirati i održavati plazmu gotovo sedam minuta. No, važno je naglasiti da pokretanje fuzijskih reaktora i generiranje plazmenih reakcija, čak i na kratko vrijeme, zahtijeva enormne količine energije. Stoga je potencijal za masovnu proizvodnju čiste energije još uvijek desetljećima udaljen.

Kosmos