Diamentowe detektory pozwolą zajrzeć do wnętrza sztucznego słońca

Instytutu Problemów Jądrowych im. A Sołtana



Diamentowe detektory pozwolą zajrzeć do wnętrza sztucznego słońca

STRESZCZENIE
W Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku powstają unikalne detektory Czerenkowa do wykrywania wiązek elektronów w instalacjach termojądrowych typu tokamak. Testy przeprowadzone w tym roku w tokamaku Tore Supra w Cadarache we Francji pokazały, że urządzenie skonstruowane przez polskich fizyków jest zdolne do badania ekstremalnych warunków fizycznych panujących we wnętrzach największych współczesnych instalacji, na bazie których w przyszłości będą budowane energetyczne reaktory termojądrowe, popularnie nazywane sztucznymi słońcami.


TREŚĆ
Detektory Czerenkowa do pomiaru wiązek elektronów, skonstruowane w Instytucie Problemów Jądrowych (IPJ) w Świerku, były w tym roku testowane we francuskim tokamaku Tore Supra w ośrodku badawczym w Cadarache. Zakończona kilka dni temu kolejna seria eksperymentów pokazała, że naukowcy z IPJ jako jedyni na świecie potrafią budować detektory Czerenkowa zdolne do badania ekstremalnych warunków fizycznych panujących w bezpośrednim sąsiedztwie plazmy niemal tak gorącej jak we wnętrzu Słońca.

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. Gdyby udało się przeprowadzać kontrolowaną syntezę termojądrową, ludzkość miałaby zapewnione bezpieczeństwo energetyczne na tysiąclecia, a energia ta byłaby czysta i bezpieczna. Aby doszło do reakcji łączenia jąder atomowych, należy jednak przezwyciężyć działające między nimi siły odpychania. W tym celu paliwo wodorowe trzeba doprowadzić do stanu takiego jak we wnętrzach gwiazd – plazmy o temperaturze przynajmniej kilkunastu milionów stopni.

Kontrolowaną syntezę termojądrową próbuje się obecnie realizować m.in. za pomocą tokamaków – urządzeń, w których otoczona silnymi polami magnetycznymi komora próżniowa ma kształt torusa (obwarzanka). Plazma, składająca się ze swobodnych elektronów i odartych z elektronów jąder izotopów wodoru, jest ściskana w polu magnetycznym. Przepuszcza się przez nią 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. Kontrolowanie takiej plazmy to trudne zagadnienie techniczne, fizycy borykają się z nim od kilkudziesięciu lat. 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.

Kilka lat temu naukowcy z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku przedstawili propozycję zbudowania detektorów wykorzystujących efekt Czerenkowa do badania wiązek elektronowych wybiegających z obszaru plazmy w tokamakach. „Promieniowanie Czerenkowa pojawia się, gdy naładowana cząstka przemieszcza się przez ośrodek z prędkością większą od prędkości fazowej światła w tym ośrodku” – wyjaśnia dr Jarosław Żebrowski z IPJ. Cząstka – może to być elektron tracący energię – porusza się bowiem 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 jako zielonkawo-błękitna poświata – promieniowanie Czerenkowa. Po raz pierwszy zaobserwowano je w 1934 roku.

Warunki fizyczne wewnątrz tokamaka są skrajnie nieprzyjazne dla urządzeń pomiarowych. Materiały użyte do budowy detektora Czerenkowa powinny charakteryzować się wysoką temperaturą topnienia oraz bardzo dobrą przewodnością cieplną. Jednocześnie muszą mieć duży współczynnik załamania, gwarantujący emisję promieniowania Czerenkowa nawet przez elektrony o względnie niskich energiach. Z tych powodów fizycy z IPJ do budowy detektora dla francuskiego tokamaka Tore Supra wybrali kryształy diamentu.

Ekstremalne warunki pracy detektora 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” – podkreśla 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. dr hab. 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 renomowanym 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” – podsumowuje dr Marek Rabiński, kierownik Zakładu Fizyki Plazmy i Inżynierii Materiałów IPJ. Doświadczenie zgromadzone w ostatnich latach na coraz większych tokamakach pozwala polskim fizykom z optymizmem patrzeć na możliwość budowy w Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku detektorów przeznaczonych dla przyszłego reaktora termojądrowego ITER, powstającego w Cadarache kosztem ponad 10 miliardów 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.

INFORMACJE UZUPEŁNIAJĄCE

Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku (IPJ, http://www.ipj.gov.pl) zajmuje się badaniami podstawowymi z dziedziny fizyki subatomowej (fizyka cząstek elementarnych i jądrowa, fizyka plazmy gorącej itp.) oraz stosowaniem metod fizyki jądrowej i produkcją urządzeń dla rozmaitych gałęzi nauki i gospodarki, w tym medycyny.


W informacji mowa o reaktorach termojądrowych, w których źródłem energii jest łączenie się (synteza) lekkich jąder (izotopów wodoru). Do tej pory nie udało się zbudować reaktorów termojądrowych pozwalających na przeprowadzanie kontrolowanej, ciągłej reakcji syntezy jądrowej i na ekonomiczne czerpanie z nich energii.

W tradycyjnych reaktorach jądrowych służących do wytwarzania energii w wielu krajach, energia pochodzi z rozszczepienia ciężkich jąder, przede wszystkim jąder uranu. Tradycyjne reaktory jądrowe wykorzystują więc inny proces fizyczny niż opisywany w prezentowanej informacji.

Reaktor badawczy MARIA pracujący w Świerku jest reaktorem tradycyjnym, wykorzystującym rozpad jąder uranu. Nie jest on reaktorem termojądrowym, a jego zdjęcie zostało zamieszczone wyłącznie w celu pokazania realnego promieniowania Czerenkowa, które wykorzystują opisywane wyżej nowatorskie detektory.

Słynny wzór Einsteina, o którym mowa w tekście, to E=mc2.



KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

Detektory Czerenkowa, fizyka plazmy:

dr Marek Rabiński
Instytut Problemów Jądrowych w Świerku
kierownik Zakładu Fizyki Plazmy i Inżynierii Materiałów
tel. +48 22 7180534, +48 22 7180536
email: rabinski@ipj.gov.pl



POWIĄZANE STRONY WWW:

http://www-drfc.cea.fr/gb/cea/ts/ts.htm
Oficjalna strona francuskiego tokamaka Tore Supra.

http://www.ipj.gov.pl/
Strona Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku.