Fuzja jądrowa ma zasilić świat. Dlaczego wciąż jej nie okiełznaliśmy?
Czym dokładnie jest fuzja jądrowa i jak ją kontrolować? Odpowiedź na drugą część pytania to święty Graal fizyki.
Na powierzchni Słońca nieustannie trwa samopodtrzymująca się reakcja termojądrowa. Z każdego centymetra kwadratowego powierzchni gwiazdy emitowane jest 40 tysięcy watów mocy. W ciągu jednej sekundy, centralne ciało niebieskie naszego układu planetarnego wytwarza milion razy więcej energii, niż cała Ziemia w ciągu roku.
W każdej chwili, na niezliczonej liczbie gwiazd we wszechświecie dochodzi do reakcji, w wyniku której dwa lżejsze atomy pierwiastków łączą się w jeden cięższy. Powstające w wyniku tego procesu jądro jest lżejsze niż jego składowe, bo część masy zamieniana jest w energię. Zależność tę opisuje słynny wzór E=Δmc2.
Ilość wytwarzanej energii jest na tyle znacząca, że naukowcy od lat próbują odtworzyć reakcję w warunkach laboratoryjnych. Badania prowadzone są w nadziei na to, że pozwoli to wydajniej wytwarzać energię. W okolicznościach, które możemy uzyskać na Ziemi próby przeprowadzane są na
deuterze i trycie: dwóch izotopach wodoru z kolejno jednym i dwoma neutronami w jądrze atomowym. W wyniku syntezy jądrowej powstaje atom helu, wolny neutron (do którego wrócimy za chwilę) oraz oczywiście energia.
Jakie kryteria musi spełnić fuzja termojądrowa?
We wnętrzu Słońca panują temperatury rzędu 15 milionów stopni Celsjusza. Dla skali warto dodać, że ciepło metalowego jądra naszej planety wynosi „zaledwie” 6 000 stopni Celsjusza. Mało tego, panuje tam ciśnienie wynoszące 10^16 paskali, co w przeliczeniu wynosi ponad 90 miliardów ziemskich atmosfer.
Na Ziemi takie ciśnienie jest niemożliwe do uzyskania, toteż, aby efektywnie dokonać fuzji termojądrowej musimy „nadrabiać” temperaturą. W działających obecnie reaktorach stosuje się próżnię, przez co trzeba osiągnąć temperaturę rzędu… 150 milionów stopni Celsjusza. Dopiero tak wyśrubowane warunki pozwalają na rozerwanie bariery kulombowskiej między cząsteczkami.
Wysoka temperatura sprawia, że jądra szybciej się poruszają i zderzają. Trzeba jednak nadmienić, że nie wystarczy tylko „zderzyć” ze sobą atomów deuteru i trytu. Oba jądra posiadają taki sam ładunek elektryczny (są naładowane dodatnio) i w naturalny sposób będą się odpychać. Dopiero wspomniane wyżej warunki sprawiają, że wpadające na siebie nukleony uderzają się z taką siłą, że samorzutnie powstają nowe pierwiastki.
Czytaj więcej:
Fuzja termojądrowa na Ziemi – jak ją uzyskać?
Skoro do przeprowadzenia syntezy termojądrowej potrzeba tak wysokiego ciśnienia i temperatury, w głowie pojawiają się nam dwa główne problemy. Po pierwsze jak rozgrzać materię do setek milionów stopni Celsjusza, a po drugie – kiedy już ją podgrzejemy – jak przechować wytworzoną w ten sposób plazmę? W końcu każdy znany nam materiał po prostu natychmiastowo się spali.
Najbardziej znanym i najpowszedniejszym rozwiązaniem stosowanym w eksperymentach jest skorzystanie z sił pola magnetycznego, które izoluje zjonizowany gaz od ścian komory w której przeprowadzamy fuzję termojądrowa. Co ciekawe, optymalnym kształtem z uwagi na konieczność zastosowania elektromagnesów jest torus, czyli bryła przypominająca donuta, lub obwarzanka. Tę technikę, wykorzystywaną w tokamakach opracowano prawie 70 lat temu w Związku Radzieckim. W dużym uproszczeniu można stwierdzić, że klasyczny tokamak do przeprowadzenia reakcji termojądrowej przypomina w budowie ogromny transformator, zaś w jego „rdzeniu” jest rzeczona komora, gdzie generowana jest plazma.
Inne typy reaktorów fuzji termojądrowej
Pierwsze syntezy jądrowe zainicjowano jeszcze w latach 50. ubiegłego wieku. Jedną z koncepcji było wcześniejsze stworzenie drobnej i odpowiednio przygotowanej kapsułki z paliwem, a następnie skierowanie w jej stronę wiązki potężnego lasera, który rozgrzeje cząsteczki do temperatury ponad stu milionów stopni. Kapsułka momentalnie ulega dezintegracji, zaś zaistniałą w ciągu ułamka sekundy energię można zebrać i wykorzystać dalej. Z uwagi na skomplikowaną technikę regulacji i wymaganą precyzję przy wymianie paliwa, ten cykl ma wolną powtarzalność i będzie trudny do zastosowania w przemyśle.
Istnieją jeszcze stelleratory, które właściwie są bardziej złożoną wersją tokamaka. W tym przypadku także posiłkujemy się pułapką magnetyczną, ale nasz „obwarzanek” nie jest w kształcie torusa, tylko kilkukrotnie skręconą, trójwymiarową formą przypominającą wstęgę Möbiusa. Ponadto materia w jego wnętrzu jest rozżarzana mikrofalami, a nie prądem. Największy wybudowany i działający stellerator to Wendelstein 7-X, który znajduje się w niemieckim Greifswaldzie.
Paliwo do elektrowni termojądrowej
O ile deuter można względnie łatwo uzyskać z wody morskiej (1 litr wody morskiej zawiera ok. 20 mg deuteru), tak tryt naturalnie występuje w znikomych ilościach w atmosferze i jest nietrwały. Czas połowicznego rozpadu trytu wynosi nieco ponad 12 lat. Innymi słowy, gdybyśmy zamknęli tryt w szczelnym pojemniku, to po upływie kilkunastu lat zawierałby tylko połowę izotopu, reszta rozpadłaby się w trwały izotop Helu.
Tryt można jednak odzyskiwać podczas syntezy nuklearnej. Oswobodzony neutron, w wyniku reakcji zostaje „wystrzelony” z taką siłą, że kiedy trafi na zbudowany wewnątrz tokamaka płaszcz z litu, powstaje tryt, który wraca do układu i może dalej reagować z deuterem. Dzięki tej zależności, reakcja termojądrowa może być samopodtrzymująca w warunkach laboratoryjnych.
Co ważne, do zainicjowania fuzji termojądrowej potrzeba stosunkowo niewielką ilość paliwa. Eksperyment z grudnia 2021 roku z tokamaka JET (ang. Joint European Torus) w Wielkiej Brytanii dowiódł, że z 0,1 mg trytu i 0,07 mg deuteru udało się wytworzyć 59 MJ energii w trakcie pięciosekundowej reakcji. Po przeliczeniu daje to 11 MW, które pozwoliłby na zasilenie przez kilka sekund ok. 10 tysięcy europejskich mieszkań. Stanowi to ekwiwalent 1 kg gazu ziemnego lub 4 kg węgla brunatnego.
Elektrownia termojądrowa – zalety
Oczy całego świata skierowane są na badania nad fuzją nuklearną, której niewątpliwym pozytywem jest fakt, że będzie mogła produkować czystszą energię, niż tradycyjne elektrownie na paliwo kopalniane. Zaletą elektrowni termojądrowej jest produkcja prądu bez emisji dwutlenku węgla. Paliwo jest powszechnie dostępne z wody morskiej (deuter), zaś dzięki odzyskiwaniu trytu w trakcie reakcji potencjalna elektrownia może pracować w sposób ciągły, niezależnie od warunków pogodowych.
Co ważne, w przeciwieństwie do klasycznych elektrowni atomowych, w przypadku ewentualnej awarii nie dochodzi do skażenia środowiska, bowiem wykorzystywane paliwo służy do podtrzymywania reakcji. Jednak kiedy w wyniku błędu zostanie go dostarczone zbyt dużo, to zwyczajnie się wypali zamiast podtrzymywać reakcję. Teoretyczna elektrownia termojądrowa o mocy 1,5 GW rocznie potrzebowałaby ok. 220 kg trytu, 150 kg deuteru i 4,5 t litu. To kilka milionów razy mniej niż w elektrowniach węglowych i blisko 4 razy mniej niż w atomowych.
Elektrownia termojądrowa – wady i zagrożenia
Mimo, że technologia do przeprowadzenia efektywnej fuzji nuklearnej (czyli takiej o dodatnim bilansie energetycznym) jest jeszcze w powijakach, to m.in. dzięki niedawno rozpoczętej rozbiórce wysłużonego reaktora JET okazuje się, że elektrownie termojądrowe generują bardzo dużo odpadów radioaktywnych. Dość powiedzieć, że proces likwidacji reaktora rozłożono na aż 17 lat.
Staje się oczywiste, że utylizacja testowego reaktora fuzyjnego jest równie długotrwała i żmudna, co „zwykłej” elektrowni jądrowej. Warto pamiętać, że deuter nie jest radioaktywny, ani szkodliwy, zaś tryt wyłącznie w znacznych ilościach (całkiem popularne są zegarki z podświetleniem trytowym). Źródło odpadów promieniotwórczych to głównie maszyny oraz elementy budowlane mające bliski kontakt z reakcją i paliwem. Chodzi m. in o betonowo-stalowe ściany stanowiące torus, gdzie podgrzewana jest plazma.
Wieloletnia ekspozycja na przyspieszone cząsteczki osłabia strukturę materiału i po pewnym czasie staje się on radioaktywny. W cyklu życia planowej elektrowni termojądrowej, według obecnej wiedzy wytworzy ona nawet 10 tysięcy ton stałych odpadów. Tę liczbę warto zestawić z konwencjonalnym reaktorem atomowym, który do kresu swojego żywota pozostawi po sobie „zaledwie” 2000 ton śmieci oraz 300 ton zużytego, radioaktywnego paliwa.
Fuzja termojądrowa – rekordy i perspektywy
Drugi (po Międzynarodowej Stacji Kosmicznej) najdroższy projekt badawczy na świecie to ITER (ang. International Thermonuclear Experimental Reactor – Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny). Pomimo, że nadal będzie to prototypowe przedsięwzięcie, to założenia są ambitne.
Celem jest nie tylko osiągnięcie dodatniego bilansu energetycznego, ale utrzymanie całej fuzji przez minimum 300 sekund. Optymistyczne założenia zakładają, że z 50 MW mocy grzania układu, uda się wytworzyć 500 MW energii. Dla porównania największy dotychczasowy rekord dla typowego tokamaka, będący jednocześnie łabędzim śpiewem reaktora JET, to 69,2 MJ wytworzone w czasie 5,2 sekundy, czyli po przeliczeniu ok. 13,3 MW.
Nie jest to jednak największy rekord ostatnich lat. W lutym 2023 w stelleratorze Wendelstein 7-X udało się uzyskać 1,3 GJ energii, jednak to co budzi największy podziw, to fakt że udało się utrzymać plazmę w „stabilnym” stanie przez 8 minut. To nie koniec rozwoju tego projektu badawczego, bowiem w Wendelstein 7-X dążą do tego żeby wygenerować 18 GJ w trakcie wyładowania trwającego 30 minut.
Spory sukces na polu wytwarzania plazmy należy także do chińskiego EAST (ang. Experiential Advanced Superconducting Tokamak – Zaawansowany Eksperymentalny Tokamak Nadprzewodzący), gdzie badaczom udało się osiągnąć sukces w postaci utrzymania plazmy rozgrzanej do temperatury 70 milionów stopni Celsjusza przez 17 minut i 36 sekund.
W grudniu 2022 roku w NIF (ang. National Ignition Facility – Narodowa Placówka Zapłonowa) w Stanach Zjednoczonych do zainicjowania fuzji termojądrowej wykorzystano 2.05 MJ energii lasera, dzięki czemu uzyskano 3,15 MJ energii w wyniku fuzji. Choć mogłoby się wydawać, że to znaczący przełom, to przy tych obliczeniach nie uwzględniono prądu zasilającego laser, a sprawność współczesnych laserów rzadko przekracza kilkanaście procent. Innymi słowy, aby wytworzyć skoncentrowaną wiązkę fal o mocy 1 kW, przy 15-procentowej sprawności zużyjemy do tego celu 6,67 kW.
Przestrzelona inwestycja
Budowa wymienionego wyżej ITER-a miała zakończyć się w 2019 roku, lecz w wyniku szeregu niesprzyjających okoliczności start zaplanowany jest na rok 2030 i jest to wariant optymistyczny. Zdecydowanie większe sukcesy na tym polu mają Niemcy. Wspomniany Wendelstein 7-X wykazał że technologia stelleratora jest dużo efektywniejsza od klasycznego tokamaka, którym będzie ITER.
Powodem dla którego stellerator jest dużo „wydajniejszy” od standardowego tokamaka w kształcie torusa jest fakt, że dzięki zoptymalizowanemu kształtowi komory (wspomniana „wstęga Möbiusa”), otoczonej wyregulowanymi cewkami taki reaktor pokonuje dwa główne problemy tokamaka. Przede wszystkim całe pole magnetyczne jest wytwarzane na zewnątrz systemu, przez powierzchniowe układy i plazma „przychodzi na gotowe”, dzięki czemu sama nie musi wytwarzać pola magnetycznego. Stellerator sam z siebie jest stabilny i kiedy jest dobrze chłodzony może działać w nieskończoność. Wadą stelleratora niestety są właśnie cewki o nietypowej formie, przez co plazma również ma niesymetryczną strukturę.
Komercyjna fuzja termojądrowa to pieśń dalekiej przyszłości
Wśród entuzjastów syntezy nuklearnej krąży żart brzmiący, że „zawsze jesteśmy 8-10 lat od prawdziwego przełomu”. Trudno nie zgodzić się z tym stwierdzeniem, zwłaszcza kiedy na każdy dotychczasowy kamień milowy przypada jakieś „ale”. Naukowcy zakładają, że po dopracowaniu technologii koszt budowy elektrowni termojądrowej, będzie zbliżony do wydatków koniecznych na postawienie elektrowni węglowej. Najdroższe w tym wszystkim (poza nakładami pieniężnymi na wcześniejsze badania) są ogromne elektromagnesy.
Aktualnie uczeni z konsorcjum EUROfusion przewidują, że po pomyślnym uruchomieniu ITER-a, w 2040 roku rozpocznie się budowa demonstracyjnej elektrowni fuzyjnej o mocy 2000 MW i „zysku” energetycznym rzędu 1 do 25. W 2019 roku Wielka Brytania rozpoczęła prace koncepcyjne nad reaktorem STEP (ang. Spherical Tokamak for Energy Production – Sferyczny Tokamak do Produkcji Energi), zaś postawienie konstrukcji zaplanowane jest na rok 2040. Co ciekawe w przeciwieństwie do ITER-a, będzie to już demonstracyjna elektrownia, która docelowo ma wytwarzać energię do systemu. Czeka nas jeszcze daleka droga, zanim do sieci trafi energia pochodząca z fuzji termojądrowej.
