Miał być lepszy od tokamaka. Przegrywał przez 70 lat. Teraz wraca

Miał być lepszy od tokamaka. Przegrywał przez 70 lat. Teraz wraca

W grudniu 2015 roku, w niemieckim Greifswaldzie, fizycy z Max Planck Institute for Plasma Physics zebrali się w centrum kontrolnym największego na świecie stellaratora — Wendelstein 7-X. Maszyna kosztowała miliard euro i budowano ją 20 lat. Kiedy przez komorę próżniową popłynął pierwszy prąd plazmowy — helowy, diagnostyczny, bez paliwa termojądrowego — na ekranach nie pojawił się obraz katastrofy, której obawiali się krytycy.

Plazma utrzymała się dokładnie tak długo, jak przewidywały symulacje superkomputerowe. Pół sekundy przy pierwszym strzale. Sześć sekund rok później. Sto sekund w 2018 roku — temperatura sięgnęła 40 milionów stopni Celsjusza. W lutym 2023: osiem minut ciągłej pracy, limitowanej wyłącznie pojemnością układu chłodzenia, nie fizyką plazmy.

Dlaczego stellarator — który teoretycznie nie ma największych wad tokamaka: nie potrzebuje potężnego prądu płynącego przez plazmę, nie doświadcza gwałtownych wyłączeń zwanych disruptions, działa w trybie ciągłym bez konieczności restartowania — przez siedem dekad pozostawał w cieniu prostszego konkurenta? Odpowiedź to historia trzech technologicznych ścian. Każda wydawała się nie do przejścia. I każda właśnie pęka — jedna po drugiej.

Ściana #1: "Tokamak jest po prostu prostszy"

W 1968 roku radzieccy fizycy z Instytutu Kurczatowa ogłosili wyniki z tokamaka T-3: temperatura plazmy przekroczyła 10 milionów stopni — dziesięciokrotnie więcej niż w ówczesnych stellaratorach. Zachodni naukowcy początkowo uznali to za propagandę. Dopiero gdy brytyjska ekspedycja z Culham Laboratory potwierdziła pomiary laserem, świat fizyki uznał werdykt: tokamak działa, stellarator — nie.

Przez następne pół wieku to właśnie tokamak — pierścień magnetyczny, w którym plazma jest jednocześnie uzwojeniem wtórnym gigantycznego transformatora — stał się architekturą domyślną. JET w Culham, TFTR w Princeton, JT-60U w Naka, KSTAR w Daejeon, wreszcie ITER na południu Francji — budowany od 2007 roku za 22 miliardy dolarów, mający jako pierwszy osiągnąć Q > 10 (dziesięciokrotnie więcej energii z fuzji niż włożono w podgrzanie plazmy).

Problem, którego nikt nie przewidział w euforii 1968 roku, polega na tym, że prąd plazmowy — źródło prostoty tokamaka — jest jednocześnie jego największym wrogiem. Kiedy plazma traci stabilność, prąd rzędu 15 milionów amperów (tyle ma płynąć w ITER) zanika w ułamku sekundy, uwalniając energię magnetyczną zdolną stopić stalową ścianę reaktora. W tokamaku JET doszło do kilkudziesięciu takich zdarzeń. W ITER — maszynie dziesięć razy większej — siły elektromagnetyczne wyzwolone przez disruption mogą przekroczyć 100 meganiutonów. To ciężar dziesięciu wież Eiffla skupiony na konstrukcji nośnej reaktora.

Stellarator nie ma tego problemu — nie potrzebuje prądu w plazmie, więc nie ma czego tracić. Ceną za tę stabilność jest geometria: tam gdzie tokamak ma prostą symetrię obrotową, stellarator wije się w trzech wymiarach niczym skręcona wstęga Möbiusa.

Ściana #2: "Geometrii stellaratora nie da się policzyć"

Żeby stellarator utrzymał plazmę bez prądu, jego cewki magnetyczne muszą być tak wyprofilowane, by wytwarzane pole magnetyczne dokładnie kompensowało dryf cząstek w zakrzywionej geometrii torusa. Dla tokamaka to jedno równanie — symetria załatwia resztę. Dla stellaratora to układ równań różniczkowych cząstkowych sprzęgający plazmę, pole magnetyczne i geometrię cewek.

Pierwsze stellaratory — Model C w Princeton (1962), Wendelstein 7-A w Garching (1988), ATF w Oak Ridge (1988-1992) — miały cewki projektowane na podstawie uproszczonych, analitycznych przybliżeń. Plazma wyciekała na brzegach — tempo strat energii było 3-5 razy większe niż w tokamakach. ATF został zamknięty po czterech latach. W 1993 roku amerykański Departament Energii wstrzymał program stellaratorowy, uznając go za ślepą uliczkę.

W 1988 roku fizyk Allen Boozer z Uniwersytetu Columbia opublikował koncepcję quasi-symetrii — matematyczny warunek gwarantujący, że plazma w stellaratorze zachowuje się tak, jakby miała symetrię tokamaka, mimo że geometrycznie jej nie ma. Problem: znalezienie kształtu cewek spełniającego warunek Boozera było obliczeniowo niemożliwe. Przy ówczesnych superkomputerach przeszukanie przestrzeni parametrów trwałoby dekady.

Przełom nastąpił w 2014 roku. Zespół z Max Planck IPP, kierowany przez Thomasa Klingera, użył superkomputera do iteracyjnej optymalizacji — algorytm zaczynał od losowego kształtu cewek i modyfikował go tak, by minimalizować straty cząstek szybkich. Po sześciu miesiącach ciągłych obliczeń pojawił się kształt, który teoretycznie redukował ucieczkę cząstek alfa do poziomu tokamaka. To był projekt Wendelstein 7-X — quasi-izodynamiczny stellarator, który w 2023 roku pracował nieprzerwanie przez 8 minut.

Ściana #3: "Nawet jeśli działa, jest za duży"

Wendelstein 7-X waży 725 ton, ma 16 metrów średnicy i 50 cewek nadprzewodzących, z których każda kosztowała 2 miliony euro. Jego magnesy używają nadprzewodników niskotemperaturowych (LTS) pracujących w temperaturze ciekłego helu — 4 kelwiny powyżej zera absolutnego. LTS-y przestają przewodzić bezstratnie przy polu magnetycznym powyżej 12-15 tesli.

Żeby stellarator był komercyjnie opłacalny — czyli produkował więcej energii niż zużywa, przy koszcie budowy nieprzekraczającym kilku miliardów euro — musi być przynajmniej 3-5 razy mniejszy od W7-X. Mniejszy reaktor oznacza silniejsze pole magnetyczne. Silniejsze pole — większy prąd w cewkach. Większy prąd — LTS-y nie wytrzymują. Błędne koło, które skazało stellaratory na rolę eksperymentu naukowego, nigdy elektrowni.

A potem dojrzewał REBCO. Przez trzy dekady.

Przełom: Taśma, która zmieniła reguły gry

REBCO — rare-earth barium copper oxide — to ceramiczny materiał nadprzewodzący odkryty w 1987 roku. W przeciwieństwie do LTS-ów, zachowuje nadprzewodnictwo w temperaturze ciekłego azotu (77 K) i toleruje pola magnetyczne przekraczające 20 tesli. Przez 30 lat pozostawał laboratoryjną ciekawostką — był kruchy, trudny w produkcji, nie nadawał się do formowania w kable nadprzewodzące.

W 2025 roku kilkanaście firm na świecie produkuje taśmy REBCO o gęstości prądu 1000 amperów na milimetr kwadratowy przy 20 teslach. Japońska Fujikura, amerykańska SuperPower (spółka Furukawy), brytyjska Tokamak Energy — każda produkuje kilometry taśmy rocznie. Dla porównania: najlepsze LTS-y tracą nadprzewodnictwo przy 15 T. Różnica 5 tesli przekłada się na 3-4 krotne zmniejszenie objętości reaktora przy tej samej mocy termojądrowej.

Zespół pod kierownictwem J. Liona z Max Planck IPP i amerykańskiej firmy Plasma Technology postawił pytanie: co się stanie, jeśli od początku zaprojektujemy stellarator pod kątem magnesów HTS, zamiast adaptować projekt z LTS? Odpowiedź opublikowano w lutym 2025 roku w Fusion Engineering and Design. Projekt Stellaris — nazwany nieprzypadkowo — to pierwsza koncepcja stellaratora, w której fizyka plazmy, inżynieria magnesów, chłodzenie ścian, dywertor, płaszcz trytowy, bezpieczeństwo quenchu magnesów i zdalna konserwacja zostały zoptymalizowane jednocześnie.

Kluczowa innowacja to wielocelowa funkcja kosztu — algorytm szuka minimum nie tylko strat cząstek szybkich (jak przy W7-X), ale waży jednocześnie dziewięć parametrów: od naprężeń w konstrukcji nośnej, przez dostępność portów dla robota konserwacyjnego, po koszt produkcji cewek. Wynik: quasi-izodynamiczny stellarator o promieniu plazmy 1,7 metra i polu magnetycznym 9,5 tesli. Dla porównania, plazma ITER-a ma promień 6,2 metra. Stellaris jest 3,6 razy mniejszy.

TRL tej technologii to 3 — koncepcja zweryfikowana wielkoskalowymi symulacjami, ale bez demonstracji eksperymentalnej. Następny krok — budowa pojedynczej cewki HTS o geometrii stellaratora i test quenchu — to wyzwanie inżynieryjne, którego nikt jeszcze nie podjął.

Wyścig, który właśnie się rozpoczął

Globalne prywatne inwestycje w fuzję termojądrową przekroczyły 6,2 miliarda dolarów (Fusion Industry Association, 2024). Większość płynie do tokamaków z magnesami HTS: Commonwealth Fusion Systems, spin-off MIT, zebrał 2 miliardy na budowę SPARC — kompaktowego tokamaka, który ma osiągnąć Q > 1 (więcej energii z fuzji niż włożono) przed 2030 rokiem. TAE Technologies (1,2 miliarda) stawia na konfigurację field-reversed. Helion Energy zebrał 500 milionów na reaktor pulsacyjny, który ściska plazmę polem magnetycznym zamiast ją podgrzewać.

Ale stellarator wraca do gry i to z niemieckim impetem. Monachijski startup Proxima Fusion — założony w 2023 roku przez inżynierów z Max Planck IPP, którzy pracowali przy W7-X — zebrał 20 milionów euro na pierwszy komercyjny stellarator. Amerykańska Type One Energy pozyskała 82 miliony dolarów i współpracuje z Oak Ridge National Laboratory przy projekcie Infinity One. Obie firmy stawiają na tę samą przewagę: stellarator nie potrzebuje prądu plazmowego, więc nie ma disruptions. Jeśli uda się zbudować magnesy HTS o odpowiedniej geometrii — stellarator będzie działał bezobsługowo przez miesiące. Nie potrzebuje też skomplikowanych systemów kontroli plazmy w czasie rzeczywistym, które w tokamaku muszą reagować w mikrosekundach na niestabilności typu edge-localized mode (ELM).

Polska w grze o gwiazdy

Polska jest członkiem konsorcjum EUROfusion z roczną składką 8 milionów euro. IFPiLM (Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy) w Warszawie — jedyna polska jednostka w pełni dedykowana fizyce plazmy — uczestniczy w eksperymentach na Wendelstein 7-X, tokamaku JET i przygotowaniach do ITER. Polscy fizycy z IFPiLM i AGH w Krakowie współpracują z zespołem Max Planck IPP przy diagnostyce plazmy stellaratorowej — konkretnie przy systemie pomiaru temperatury elektronów metodą ECE (electron cyclotron emission), który działa w czasie rzeczywistym przy częstotliwościach 120-160 GHz.

Potencjał przemysłowy wykracza poza diagnostykę. ZTW Explomet w Opolu — światowej klasy specjalista od zgrzewania wybuchowego — już produkuje płyty bimetalliczne dla elementów pierwszej ściany ITER. Kriosystem z Wrocławia dostarcza instalacje kriogeniczne dla akceleratorów cząstek — technologia bliźniacza do chłodzenia magnesów HTS w stellaratorze. AGH prowadzi badania nad materiałami odpornymi na promieniowanie neutronowe dla płaszcza trytowego — to kluczowy element każdego reaktora fuzyjnego, który produkuje paliwo (tryt) w trakcie pracy.

Problem nie leży w kompetencjach — leży w skali. 8 milionów euro składki do EUROfusion to dwudziesta część tego, co rocznie wpłacają Niemcy (240 milionów), i pięćdziesiąta część całego budżetu ITER przypadającego na Europę. Ta przepaść inwestycyjna przekłada się na liczbę doktorantów, publikacji i patentów. W 2024 roku, według bazy Scopus, polscy autorzy opublikowali 28 prac z fizyki plazmy termojądrowej. Niemieccy — 312. Okno czasowe: konsorcja takie jak Proxima Fusion czy Type One Energy planują demonstrator mocy fuzyjnej przed 2035 rokiem. Kraje, które zbudują łańcuch dostaw komponentów — magnesów HTS, chłodzenia kriogenicznego, materiałów osłonowych — wejdą do gry jako dostawcy. Pozostali kupią gotową technologię po cenie dyktowanej przez tych, którzy zainwestowali wcześniej.

Źródła

1. Lion J., Angles J., Bonauer L. et al., Stellaris: A high-field quasi-isodynamic stellarator for a prototypical fusion power plant, Fusion Engineering and Design, 202 (2025), 114868. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2025.114868
2. Macchi A., Bottino A., Brunetti D. et al., REBCO coated conductors: enabling the next generation of tokamak reactors, Superconductor Science and Technology, 38 (2025). DOI: 10.1088/1361-6668/ada9d2
3. Greenwald M., Density limits in toroidal plasmas, Plasma Physics and Controlled Fusion, 44 (2002), R27. DOI: 10.1088/0741-3335/44/8/201
4. Klinger T. et al., Overview of first Wendelstein 7-X high-performance operation, Nuclear Fusion, 59 (2019), 112004. DOI: 10.1088/1741-4326/ab03a7
5. Boozer A.H., Physics of magnetically confined plasmas, Reviews of Modern Physics, 76 (2004), 1071. DOI: 10.1103/RevModPhys.76.1071
6. Fusion Industry Association, The Global Fusion Industry in 2024, raport roczny (2024)
7. EUROfusion, European Research Roadmap to the Realisation of Fusion Energy (2018)
8. Proxima Fusion, Technology Overview: Stellarator Commercialization Pathway (2025)
9. Type One Energy, Infinity One Stellarator Project Overview (2025)
10. IFPiLM, Raport z udziału w programie EUROfusion 2024, Warszawa (2025)