Kada se tokamak uključi, unutar njegova ojačanog kućišta odvija se prizor koji gotovo izgleda nestvarno. Plazma nastala od teškog vodika širi se unutrašnjošću komore u intenzivnom ružičastom sjaju, dok se njezina masa neprestano kovitla i mijenja.

U taj vrtlog potom ulaze sićušna zrnca litija. Velika tek poput zrna pijeska, ona kroz plazmu prolaze poput grimizne vilinske prašine, a zatim proizvode upečatljive zeleno-žute tragove svjetlosti.

Zahvaljujući brzoj kolor-kameri, znanstvenici sada mogu detaljno promatrati taj proces u stroju ST40 britanske tvrtke Tokamak Energy. Eksperiment stvara neke od uvjeta koje će budući tokamaci koristiti za spajanje atomskih jezgri i proizvodnju fuzijske energije, tehnologije koja bi jednoga dana mogla imati važnu ulogu u opskrbi svijeta energijom.

No spektakularan prizor nije samo vizualno zanimljiv. Boje koje kamera bilježi znanstvenicima daju informacije o ponašanju plazme i kretanju litija, a upravo bi to moglo pomoći u rješavanju jednog od najvećih tehničkih problema budućih fuzijskih elektrana – načina na koji sigurno odvesti goleme količine topline koje izlaze iz plazme.

Zašto je toplina jedan od najvećih problema fuzije?

Nuklearna fuzija zahtijeva da se plazma zadrži na temperaturama od nekoliko milijuna stupnjeva kako bi se atomske jezgre mogle dovoljno približiti i spojiti.

Međutim, zadržavanje tako ekstremno vruće plazme nije jednostavan zadatak. Dio goleme količine energije koja se nalazi u plazmi neizbježno pobjegne iz područja magnetskog zatočenja.

Ta energija mora biti usmjerena nekamo. Zbog toga su tokamaci opremljeni komponentama koje se nazivaju divertori, a njihova je zadaća prihvatiti što veći dio toplinskog toka koji izlazi iz plazme.

U dosadašnjim eksperimentima rad tokamaka uglavnom traje relativno kratko. Buduća fuzijska elektrana, međutim, morat će svoje ključne komponente izložene ekstremnoj toplini održavati funkcionalnima tijekom dugih razdoblja. Divertori će stoga morati izdržati ogromna toplinska opterećenja bez brzog raspadanja ili oštećenja.

Problem je toliko važan da upravo opterećenje divertora toplinom predstavlja jedan od ključnih čimbenika u projektiranju budućih elektrana sa sfernim tokamakom.

U eksperimentima na ST40 istraživači su izmjerili toplinske tokove koji dosežu čak 150 megavata po četvornom metru.

Zbog toga je odvođenje topline jedan od važnih problema koji znanstvenici proučavaju na ST40, uključujući mogućnost da se sama plazma iskoristi za pomoć u smanjivanju toplinskog opterećenja.

Kamera koja snima 16.000 sličica u sekundi

Kamere velike brzine i visoke razlučivosti koriste se u istraživanjima tokamaka već desetljećima. Ni snimanje plazme u boji nije potpuno nova ideja.

Još je 2014. godine kolor-kamera korištena na ruskom tokamaku T-11M, a rezultati tog istraživanja opisani su u znanstvenom radu objavljenom 2016. godine.

No tada se pojavio važan problem. Kamera je pratila litij na rubu plazme, ali je snimala brzinom od 1000 sličica u sekundi. Istraživači su zaključili da to nije dovoljno brzo za praćenje razvoja litijevih filamenata kroz vrijeme te su naveli da bi za takvo promatranje bile potrebne brzine veće od 10.000 sličica u sekundi.

Kamera koja je sada usmjerena prema unutrašnjosti ST40 snima čak 16.000 sličica u sekundi.

Upravo ta brzina omogućuje znanstvenicima da prate iznimno brze promjene koje se odvijaju na rubu plazme.

Kada bi hlađenje plazme zapravo moglo biti korisno?

Na prvi pogled zvuči nelogično da bi znanstvenici koji pokušavaju postići uvjete potrebne za fuziju željeli hladiti plazmu. No mjesto na kojem se događa hlađenje pritom je presudno.

Nečistoće koje se nađu u plazmi unutar fuzijskog reaktora inače mogu uzrokovati ozbiljne probleme. One mogu povećati količinu energije koja se zračenjem gubi iz plazme, zbog čega se ona hladi i može izgubiti uvjete potrebne za održavanje fuzije.

Međutim, ako se takvo hlađenje odvija na pravom mjestu, odnosno na rubu plazme, ono bi moglo postati prednost.

Hlađenje vanjskog dijela plazme moglo bi smanjiti količinu topline koja udara u divertore, dok bi unutrašnjost plazmenog prstena i dalje mogla ostati dovoljno vruća za održavanje uvjeta potrebnih za fuziju.

Na toj se ideji temelji eksperimentalni režim rada poznat kao „X-point radiator”, odnosno XPR.

Plazma se u tokamaku zadržava snažnim magnetskim poljem. X-točka je područje tog magnetskog polja smješteno blizu divertora, gdje magnetsko polje poprima karakterističan oblik slova X.

Poticanjem nečistoća da upravo u tom području zrače energiju, fizičari pokušavaju ohladiti plazmu prije nego što stigne do divertora. Time bi se smanjilo ekstremno opterećenje kojem su te komponente izložene, a istodobno bi se izbjeglo nepotrebno hlađenje jezgre u kojoj se odvija fuzija.

Zašto je litij važan i što znače crvene i zeleno-žute boje?

Litij je jedan od materijala koji znanstvenici proučavaju kako bi utvrdili može li se takvo hlađenje kontrolirati.

Upravo litij stoji iza dijela spektakularnih boja koje se vide na snimkama ST40.

Zanimljivo je da najšareniji dio plazme koji kamera bilježi zapravo nije njezin najtopliji dio. Jezgra dovoljno vruća za fuziju toliko je zagrijana da ne proizvodi vidljivu svjetlost koju kamera promatra.

Umjesto toga, kamera prikazuje događaje u relativno hladnijem području na rubu plazme.

Ružičasti sjaj dolazi od deuterija, odnosno teškog vodika koji se dovodi u tokamak. Deuterij emitira kombinaciju crvenih i plavih valnih duljina, zbog čega nastaje karakterističan ružičasti izgled plazme.

Kada sitna zrnca litija prvi put uđu u hladnije vanjske dijelove plazme, neutralni atomi litija pobuđuju se i počinju emitirati intenzivnu grimizno-crvenu svjetlost.

Kako litij prodire dublje u topliju i gušću plazmu, njegovi atomi gube jedan elektron. Tada nastaju pozitivno nabijeni ioni litija, Li⁺, koji emitiraju karakterističnu zeleno-žutu svjetlost.

A upravo njihov električni naboj omogućuje znanstvenicima da dobiju još jednu važnu informaciju.

Budući da su nabijeni, ioni litija prate magnetsko polje. Njihovi svijetli zeleno-žuti tragovi tako postaju svojevrsni svjetleći pokazivači inače nevidljivih linija magnetskog polja koje zadržava plazmu.

Kolor-kamera otkriva ono što crno-bijela snimka ne bi mogla

Mapu temperature unutar tokamaka bilo bi relativno jednostavno dobiti čak i crno-bijelom kamerom. No upravo boja daje istraživačima dodatnu mogućnost praćenja različitih atoma i iona u različitim uvjetima plazme.

Na taj način mogu promatrati kamo litij putuje i koliko duboko prodire u plazmu.

Snimke velike brzine pritom se kombiniraju sa spektroskopijom, metodom kojom se precizno određuju valne duljine emitirane svjetlosti.

Kombinacija tih dviju metoda omogućuje znanstvenicima da bolje utvrde zrače li nečistoće energiju upravo na mjestima na kojima to žele.

Ako se pokaže da se hlađenje ne događa na odgovarajućem području, istraživači mogu promijeniti uvjete eksperimenta i pokušati ponovno.

Na taj način postupno uče kako usmjeriti proces hlađenja tamo gdje je najkorisniji. To bi znanje jednoga dana moglo utjecati na način na koji će budući fuzijski reaktori upravljati i odvoditi ogromne količine topline.

Prvi rezultati pokazuju da bi pristup s X-točkom mogao funkcionirati

Postoje i prvi znakovi da bi pristup XPR mogao dati rezultate.

U preliminarnim rezultatima eksperimenata provedenih na ST40 istraživači navode da su uspjeli proizvesti područje koje zrači energiju i koje se pomiče preko X-točke, pri čemu dolazi do značajnog hlađenja ruba plazme.

Kada se to dogodi, mjerenja pokazuju da se smanjuje količina topline koja dolazi do divertora.

Ipak, istraživači smatraju da je velik dio zračenja u tim eksperimentima potjecao od ugljika koji je oslobođen sa stijenki tokamaka, a ne od namjerno uvedenog litija.

Zbog toga su u tijeku novi eksperimenti u kojima se koriste litij i neon kako bi se dodatno smanjilo toplinsko opterećenje.

Računalni modeli pritom sugeriraju da bi litij mogao biti posebno koristan. Jedna od mogućnosti jest koncentrirati ga u blizini divertora, odnosno upravo ondje gdje je njegov učinak hlađenja poželjan, a istodobno spriječiti da ga dovoljno velika količina dospije uzvodno i naruši rad jezgre plazme.

ST40 dobiva novu opremu za još preciznije eksperimente

Tokamak Energy planira dodatno proširiti istraživanje.

ST40 trenutačno prolazi kroz veliku nadogradnju tijekom koje će ugljični oklop biti zamijenjen molibdenom. Predviđeno je i uvođenje sustava za premazivanje komponenti koje su izložene plazmi litijem, kao i dodavanje novih dijagnostičkih sustava koji će omogućiti detaljnije proučavanje onoga što se događa na rubu plazme.

Nakon završetka nadogradnje znanstvenici će moći još preciznije istraživati ponašanje plazme, litija i nečistoća na njezinu rubu.

Spektakularne boje koje pritom izlaze iz unutrašnjosti tokamaka zato nisu samo neobičan prizor. Svaki crveni, zeleni i žuti trag nosi informaciju o tome kako se čestice kreću, gdje se energija oslobađa i kako magnetsko polje oblikuje plazmu.

Ako se eksperimentalni pristupi pokažu uspješnima, upravo bi takva mjerenja mogla pomoći znanstvenicima da riješe jedan od ključnih izazova na putu prema budućim fuzijskim elektranama – kako sigurno upravljati golemom količinom topline koju proizvodi plazma zagrijana na ekstremne temperature.