Ha a fúziós berendezéseket az alakjuk miatt legtöbbször amerikai cukros fánkhoz hasonlítjuk, akkor az angliai Oxford melletti MAST Upgrade tokamak inkább hasonlít a nagyi szalagos fánkjához, a gömbhöz közelítő formája miatt. Ez viszont sokkal forróbb lesz még a legfrissebb fánknál is, mivel a maghőmérséklete már a kezdeti kísérletekben is több, mint 50-100 millió ºC fok lesz. A fúziós kísérletekben a Nap belsejében lejátszódó folyamatokat szeretnénk lemásolni, ezért szükség is van erre a pokoli forróságra. Ahhoz, hogy – a csillagok működéséhez hasonlóan – hidrogénatomok összeragasztásával energiát tudjunk termelni, az extrém hőfokú elektromosan töltött részecskékből álló gázt (plazma halmazállapot) 150 millió fokra kell hevítenünk.
A Mega Ampere Spherical Tokamak fúziós berendezés 1999-ben kezdte a kutatási programját és most, 2020-ban, egy hét évet igénylő teljes átépítés után indul újra. A MAST Upgrade lényegében egy teljesen új tudományos szerkezet, amit a UKAEA és a EUROfusion tudósai közösen üzemeltetnek. Az új, 3 méter átmérőjű acélfalú fánkot (ami nagyobb, mint egy Airbus A380 hajtóműje) erősebb mágnesekkel, kifinomultabb megfigyelő rendszerekkel és nagyobb fűtési teljesítménnyel szerelték fel, így a plazmakisülés hossza eléri majd az 5 másodpercet.
Tony Donné, az EUROfusion program menedzsere az alábbiakat nyilatkozta a sikeres indulás után: „Szívből gratulálunk a MAST Upgrade csapatának az EUROfusion közösség nevében. Nagyon várjuk ennek a kísérletnek a tudományos eredményeit, amelyek fontos útmutatást adnak majd az ITER-nek és DEMO berendezésekhez.”
A fúziós kutatók Európa-szerte izgalommal várták a hírt a MAST Upgrade első plazmakisüléséről. A gömb alakú tokamak vékony középső oszlopa miatt jelentősen eltér a legnagyobb fúziós eszközök, például a JET valamint az ITER alakjától. De ez az eltérő geometria olyan alternatívát jelent, amit az európai fúziós közösség szerint érdemes megvizsgálni a fúziós energiához vezető útiterv részeként. A UKAEA kutatási programja szerint ez a kompakt kialakítású (gömb alakú) berendezés lehet a kulcs a kisebb és megfizethető jövőbeli fúziós erőművekhez.
Az UKAEA vezérigazgatója, Prof. Ian Chapman elmondta: „A fúziós energiatermelés valósága közeleg, és a MAST Upgrade közelebb visz minket egy lépéssel ahhoz, hogy rengeteg, tisztább energiával lássuk el az emberiséget. Ez a kísérlet új frontvonalat nyit a kutatásban és olyan technológiát tesztel, amelyet még sehol sem nem próbáltak ki. A MAST Upgrade biztosítja, hogy az Egyesült Királyság a fúziós energiatermelés kifejlesztésben a világ élmezőnyében maradjon. Valamint létfontosságú lesz az UKAEA azon céljának elérése érdekében, hogy 2040-re megépítse a STEP már villamos energia hálózatra termelő fúziós erőművet.
Super-X: ücsörgés a Nap felszínén
A MAST Upgrade kísérlet egyik legfontosabb innovatív eleme az új komplex divertor) berendezés, ami a plazmát elhagyó forró gáz hatékony hűtésére szolgál. Ez a kipufogógáz a fúziós berendezésben olyan forró, hogy a falát speciális védelemmel kell ellátni. A tokamak belső fal elemeit általában mágneses mező védi a magban lévő szuper forró plazmától. Kivételt képez a divertor, amelynek túl kell élnie a Nap felszínén uralkodó hőmérsékletet és részecskesugárzást. A MAST Upgrade tokamakon új módszereket tesztelnek majd a forró plazma hűtésére, hogy megvédjék a divertorlemezeket a magból kiáramló plazma közvetlen erodáló hatásától.
A MAST Upgrade divertorlemezek közelébe tervezett mágneses tekercsek új rendszere egzotikus formákká alakítja és nyújtja a magot elhagyó plazmafonalat, úgymint az elnyújtott Super-X vagy a sokágú Hópehely konfiguráció. Ezekben az új konfigurációkban a plazmafonál hosszabb úton és több idő alatt jut el a divertor faláig, miközben folyamatosan energiát veszít. A divertorlemez porladásának csökkentésével ez a technológia hosszabb élettartamot eredményezhet a jövőbeli fúziós erőművek számára.
Kicsi, rugalmas masinák
„A gömb alakú tokamak konfiguráció lehetővé teszi, hogy kisebb mágneses tér alkalmazásával hatékonyabban szigeteljük el a plazmát a környezetétől” – magyarázta Nick Holloway, az UKAEA médiamenedzsere. „Ha ez a kísérlet sikerre vezet, akkor egy valós alternatív konstrukciót nyerünk a fúziós erőművek kifejlesztésére. ” Ugyanakkor a MAST Upgrade eléggé hasonlít a fősodorvonalbeli tokamakokhoz, így a kutatási eredmények könnyen átvihetők közöttük.
„Ezen fúziós kísérletek mindegyikének megvannak a maga erősségeik és az egyedi képességeik” – mondta Sara Moradi plazmafizikus, aki „közepes méretű tokamakok” kutatási program koordinátora. Ebbe a kutatási programba tartozik a MAST Upgrade mellett, az ASDEX Upgrade (IPP, Németország), a TCV (SPC, Svájc) és a WEST (CEA, Franciaország). Bár a kisebb berendezésekben a plazma hőmérséklete alacsonyabb, mint a nagyobb társaikban (JET, ITER), de ennek ellenére fontos szerepet játszanak fizikai és technológiai tesztek helyszíneként. Moradi hozzátette: „Mivel kisebbek, ezek a kísérletek eredendően rugalmasabbak, olcsóbbak és gyorsabban módosíthatóak. A legújabb tudományos eredményeknek megfelelően könnyebben módosíthatóak és átépíthetőek, amely nem valósítható meg egy nagyobb berendezéseknél.”
Magyar együttműködés
Bár a MAST Upgrade egy brit projekt, de az európai és közöttük a hazai fúziós tudósok nagyban hozzájárultak a fejlesztésekhez a EUROfusion konzorcium keretében.
„A MAST Upgrade gyakorlatilag egy új fúziós berendezés” – mondja Dunai Dániel az Energiatudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratórium tudományos főmunkatársa. A magyar kutatócsoport több mint egy évtizede szoros együttműködést alakított ki a MAST-os kollégákkal. Egy speciális megfigyelő rendszert, a nyaláb emissziós spektroszkópia diagnosztikát terveztek és építettek a MAST-hoz 2010-ben. Az ezt követő mérésekben a magyar csapat üzemeltette a diagnosztikát és részt vett a fizikai eredmények kiértékelésében is. A diagnosztika sikere miatt nem volt kérdés, hogy a MAST Upgrade tokamakra egy tovább fejlesztett verziót telepítenek majd a kutatók. A diagnosztikai fejlesztésekhez csatlakozott a yorki egyetem , ahol a fejlesztő csapatot Cziegler István vezeti. Az utazási korlátozások miatt az új diagnosztika beüzemelése még várat megára, de a berendezést már a korábbi években Angliába szállították.
„Kutatói pályafutásom meghatározó élménye volt részt venni a MAST programban, és remélem a MAST Upgrade is hasonlóan sikeres vállalkozás lesz” mondta Dunai, majd a programról az alábbiakat tette hozzá „Egy új berendezést mindig fokozatosan indítanak el, így a MAST Upgrade-en is egy bejáratós autóhoz hasonlóan óvatosan nyomják csak majd a gázpedált. Ahogy minden rendszert ellenőriznek és fokozatosan elérik a tervezett működési tartományt az új fizikai eredményekről is hallhatunk majd. Remélem az új tokamak meglepetéseket is tartogat, és remélem, hogy a mi diagnosztikánk is segít majd megérteni ezeket a fizikai feladványokat. Sok minden változott az elmúlt 10 év alatt, de a kísérletezés és a felfedezés izgalma változatlan. Amikor a vezérlőteremben ülve az ember először nézheti meg a saját mérőberendezésének adatait, az egy mással nehezen összehasonlítható élmény. Remélem a MAST Upgrade működésekor a tudósok egy új generációja is belekóstolhat ebbe a kalandba.”
Felkészülés a kísérletekre
Első plazma felvillant és az összegyűlt kutatók tapssal köszöntötték, de hogyan tovább? Az UKAEA fizikusai és mérnökei már azon dolgoznak, hogy a MAST Upgrade felkészüljön az első kísérleti kampányára.
A COVID-19 járvány miatti korlátozások miatt egyelőre a kutatás nagy részét távolról lehet csak végezni. Az elmúlt félévben a UKAEA sok tapasztalatot gyűjtött JET tokamak működtetéséről a culhami telephelyen, aminek a berendezéseinek egy részét a kutatók távolról üzemeltetik. Az egyik megfigyelő rendszerét, a lítium nyaláb diagnosztikát, például az EK-ból irányítják magyar a kutatók.
Ha minden a tervek szerint alakul, a MAST Upgrade berendezés decemberben 10 kísérleti napot üzemel majd, és 2021-ben kezdődik majd egy hosszabb fizikai méréssorozat. A berendezés építése nem áll meg, 2023-ban a EUROfusion egy 1,43 millió euró értékű fejlesztési csomaggal támogatja majd a működést, aminek a keretében további fűtőberendezéseket és új vezérlő egységeket szerelnek majd be.
