Detektor zajrzy 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.

Ostatnie testy urządzenia w ośrodku badawczym w Cadarache we Francji pokazały, 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 prasowy instytutu Marek Pawłowski.

Jednak aby doszło do reakcji łączenia jąder atomowych, trzeba przezwyciężyć działające między jądrami atomów siły odpychania. W tym celu wodór trzeba doprowadzić do stanu plazmy o temperaturze przynajmniej kilkunastu milionów stopni. Fizycy wykorzystują do tego celu właśnie tokamaki. Jest to komora próżniowa w kształcie obwarzanka, otoczona silnymi polami magnetycznymi. Wewnątrz komory wytwarzana jest plazma, przez którą przepuszcza się prąd elektryczny o natężeniu przekraczającym nawet milion amperów. Pole magnetyczne płynącego w plazmie prądu oraz pole wytwarzane przez cewki tokamaka tworzą wspólnie pułapkę magnetyczną, która pozwala utrzymać plazmę wewnątrz torusa.

- Kontrolowanie takiej plazmy to trudne zagadnienie techniczne. Jednym z problemów są wiązki elektronów generowane podczas wyładowań. Niekontrolowane, wybiegające z obszaru plazmy wiązki elektronów doprowadziły już do poważnych uszkodzeń ścian komór w 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.

Polski detektor 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 Instytut Problemów Jądrowych. Jak tłumaczył, elektron porusza się tak szybko, że grzbiety emitowanych przez niego fal świetlnych zaczynają się nakładać. Powstaje wtedy front, będący 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 jako zielonkawo-błękitna poświata - nazywana promieniowaniem Czerenkowa. Właśnie diamentu użyli fizycy z IPJ do budowy detektora.

Urządzenie jest zamocowane na mobilnej sondzie długości ok. 3 m. Sondę wsuwa się przez kanał diagnostyczny w pobliże plazmy, na ok. 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.