Diamentowe detektory zajrzą do wnętrza sztucznego słońca

Unikatowy instrument pomiarowy zbudowali naukowcy z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku. Odporny na ekstremalne warunki detektor pozwala obserwować zjawiska zachodzące we wnętrzu tzw. sztucznego słońca, czyli reaktora termojądrowego. Jak poinformował rzecznik prasowy instytutu Marek Pawłowski, kilka dni temu zakończyły się testy urządzenia w ośrodku badawczym w Cadarache we Francji. Pokazały one, że tylko polskie urządzenia są w stanie pracować w skrajnych warunkach panujących w działającym tam doświadczalnym reaktorze termojądrowym typu tokamak o nazwie Tore Supra.

O reaktorach termojądrowych, jak tłumaczył Pawłowski, mówi się, że są sztucznymi słońcami, bo w przyszłości ma w nich zachodzić reakcja taka, jak we wnętrzu gwiazdy.

"Synteza termojądrowa jest źródłem energii gwiazd. Proces syntezy polega na łączeniu jąder lekkich pierwiastków, zazwyczaj izotopów wodoru, w cięższe jądra. Powstające produkty mają mniejszą masę niż suma mas łączących się składników. Nadmiarowa masa zamienia się w ogromne ilości energii, co opisuje słynny wzór Einsteina – E=mc2. Gdyby udało się przeprowadzać kontrolowaną syntezę termojądrową, ludzkość miałaby zapewnione bezpieczeństwo energetyczne na tysiąclecia, a energia ta byłaby czysta i bezpieczna" – podkreślił rzecznik.

Jednak aby doszło do reakcji łączenia jąder atomowych, trzeba przezwyciężyć działające między jądrami atomów siły odpychania. W tym celu paliwo wodorowe trzeba doprowadzić do stanu takiego, jak we wnętrzach gwiazd – plazmy o temperaturze przynajmniej kilkunastu milionów stopni. Na razie energia potrzebna do wytworzenia plazmy i wywołania bezpiecznej (czyli niewielkiej) reakcji fuzji termojądrowej, jest większa niż energia uzyskana w reaktorze.

Prace nad udoskonaleniem tego procesu tak, aby był bezpieczny i wydajny energetycznie trwają od kilkudziesięciu lat. Fizycy wykorzystują do tego celu m.in. właśnie tokamaki. Jest to komora próżniowa w kształce torusa (obwarzanka), otoczona silnymi polami magnetycznymi. Wewnątrz komory wytwarzana jest plazma, która składa się ze swobodnych elektronów i odartych z elektronów jąder wodoru. Przez plazmę przepuszcza się prąd elektryczny o gigantycznym natężeniu, przekraczającym nawet milion amperów. Pole magnetyczne płynącego w plazmie prądu oraz pole magnetyczne wytwarzane przez cewki tokamaka tworzą wspólnie pułapkę magnetyczną, która pozwala utrzymać plazmę wewnątrz torusa. Właśnie w plaźmie ma zachodzić reakcja termojądrowa.

"Kontrolowanie takiej plazmy to trudne zagadnienie techniczne. Problemów do rozwiązania jest wiele, a jednym z poważniejszych są wiązki elektronów generowane podczas wyładowań. Niekontrolowane, wybiegające z obszaru plazmy wiązki elektronów doprowadziły już do poważnych uszkodzeń ścian komór w funkcjonujących reaktorach eksperymentalnych. Dlatego fizycy i konstruktorzy chcą mieć możliwość zajrzenia bezpośrednio do obszaru, w którym zachodzą reakcje, co pozwoli lepiej poznać zachodzące w ich trakcie procesy i opracować rozwiązania eliminujące niekorzystne zjawiska" – podkreślił Pawłowski.

Właśnie do tego celu służy polski wynalazek. Jest to detektor, który do obserwacji wiązek elektronów wykorzystuje tzw. efekt Czerenkowa. "Promieniowanie Czerenkowa pojawia się, gdy naładowana cząstka przemieszcza się przez ośrodek z prędkością większą od prędkości fazowej światła w tym ośrodku" – wyjaśniał dr Jarosław Żebrowski z Instytutu Problemów Jądrowych. Jak tłumaczył, cząstka – może to być elektron tracący energię – porusza się tak szybko, że grzbiety emitowanych przez nią fal świetlnych zaczynają się w ośrodku nakładać. Powstaje wtedy front, będący elektromagnetycznym odpowiednikiem fali uderzeniowej występującej podczas przekraczania przez samolot prędkości dźwięku w powietrzu. W przypadku fali elektromagnetycznej w ośrodku takim jak woda lub diament, front ten może być widoczny jakozielonkawo-błękitna poświata – nazywana promieniowaniem Czerenkowa. Po raz pierwszy zaobserwowano je w 1934 roku.

Warunki fizyczne wewnątrz tokamaka są skrajnie nieprzyjazne, więc materiały użyte do budowy detektora muszą być bardzo odporne a zarazem muszą być czułe na promieniowanie Czerenkowa. Fizycy z IPJ do budowy detektora dla francuskiego tokamaka Tore Supra wybrali kryształy diamentu.

Ekstremalne warunki pracy detektora, jak wyjaśnił Pawłowski, sprawiały konstruktorom wiele problemów. Konieczne okazało się opracowanie specjalnych metod mocowania kryształów (w obecnej wersji detektora działa zespół czterech diamentów), ich łączenia ze światłowodami prowadzącymi do fotopowielaczy oraz ekranowania diamentów przed innym promieniowaniem, zaburzającym dokładność pomiaru wiązek elektronów. "To nie koniec problemów. Sygnały trzeba jeszcze wyprowadzić z komory reaktora, w której panuje przecież wysoka próżnia, a następnie przesłać na odległość kilkudziesięciu metrów do sterowni. Tam muszą je zarejestrować fotopowielacze i układy elektroniczne o bardzo krótkim czasie reakcji" – podkreślił dr Lech Jakubowski z IPJ kierujący projektem.

Polski detektor ma rozmiary milimetrowe, dobrą rozdzielczość przestrzenną i niemal natychmiastowy czas działania, rzędu kilku miliardowych części sekundy. Cechy te pozwalają precyzyjnie badać parametry wiązek elektronów wewnątrz tokamaka. Urządzenie jest zamocowane na mobilnej sondzie długości ok. 3 m. Sondę wsuwa się przez kanał diagnostyczny w pobliże plazmy, na czas zaledwie 0,1 s. Po wycofaniu i schłodzeniu sondę można wprowadzić ponownie. "Jedno wyładowanie w tokamaku Tore Supra może trwać sześć minut. W tym czasie nasz detektor potrafi dokonać nawet kilkunastu pomiarów" – mówi prof. Marek Sadowski z IPJ.

Prace nad wykorzystaniem promieniowania Czerenkowa do detekcji warunków w komorach tokamaków są prowadzone w Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku od ponad sześciu lat. Pomysł był sprawdzany na coraz większych tokamakach, początkowo na układzie CASTOR w Pradze, później w tokamaku ISTTOK w Lizbonie, a obecnie na Tore Supra w Cadarache. Wyniki z pierwszych pomiarów na tokamaku francuskim zostały już opublikowane w czasopiśmie Review of Scientific Instruments. Aktualnie trwa analiza danych z najnowszej sesji pomiarowej.

"Przeprowadzone w tym roku testy pokazują, że jako jedyni jesteśmy w stanie zbudować detektory Czerenkowa zdolne do pracy w najpotężniejszych tokamakach eksploatowanych na świecie" – dodał dr Marek Rabiński, kierownik Zakładu Fizyki Plazmy i Inżynierii Materiałów IPJ. Doświadczenie zgromadzone w ostatnich latach na coraz większych tokamakach daje polskim fizykom nadzieję na budowę w Świerku detektorów przeznaczonych dla przyszłego reaktora termojądrowego ITER, który ma powstać w Cadarache. Będzie to pierwsza instalacja tego typu na świecie, a jej budowa będzie kosztowała ok. 10 mld euro.

Prowadzone w IPJ prace badawcze nad detektorami Czerenkowa do pomiarów w tokamakach są finansowane przez EURATOM, organ Unii Europejskiej koordynujący badania europejskie nad kontrolowaną syntezą jądrową.