Fuzja jądrowa to ślepa uliczka. Koniec marzeń o darmowej energii
Okazuje się, że wszystkie obietnice taniej energii z fuzji jądrowej opierały się na błędnych założeniach. Badacze z Zurychu właśnie to udowodnili twardymi danymi.
Od dekad fuzja jądrowa funkcjonuje w debacie energetycznej jako technologia przyszłości – czysta, praktycznie nieograniczona, zdolna rozwiązać problemy klimatyczne jednym ruchem. Nowe badanie opublikowane w Nature Energy przez zespół z politechniki ETH Zurich mówi wprost, że koszty elektrowni fuzyjnych będą spadać wielokrotnie wolniej, niż zakładano, a sama technologia może nigdy nie stać się konkurencyjna wobec odnawialnych źródeł energii.
Ta obietnica napędza miliardy
Idea fuzji jądrowej jest wbrew pozorom prosta. Zamiast rozszczepiać ciężkie jądra atomowe jak w tradycyjnych elektrowniach jądrowych łączymy lekkie jądra, najczęściej izotopy wodoru, w jedno cięższe. Dokładnie ten sam proces napędza Słońce i wszystkie inne gwiazdy. Energia, która się przy tym uwalnia, jest ogromna, a paliwo można pozyskiwać np. z wody morskiej. Nie powstają wieczne odpady radioaktywne, nie grozi stopienie rdzenia, nie emituje się dwutlenku węgla.
Brzmi to jak odpowiedź na wszystkie problemy energetyczne świata. Właśnie dlatego od lat 50. XX w. rządy i instytucje badawcze na całym świecie inwestują w badania nad fuzją miliardy dolarów. Symbolem całego przedsięwzięcia jest ITER, czyli międzynarodowy reaktor eksperymentalny budowany w południowej Francji przez konsorcjum 32 państw. Projekt, który pierwotnie miał kosztować około 5 mld dolarów i zacząć testy w 2020 r., pochłonął już ponad 22 mld dol.
Pełne testy przesunięto na 2039 r. ITER sam w sobie nie ma produkować prądu. Ma jedynie udowodnić, że fuzja jest fizycznie możliwa na skalę pozwalającą myśleć o elektrowni. Od tego dowodu do działającej sieci elektrowni fuzyjnych dzieli nas jeszcze wiele kroków. I tu pojawia się pytanie, które zadali naukowcy z Zurychu: ile te kroki będą kosztować i jak szybko cena będzie spadać?
Czym jest tempo uczenia się technologii?
Żeby zrozumieć, o co toczy się spór, trzeba poznać jedno kluczowe pojęcie z ekonomii innowacji, a mianowicie wskaźnik doświadczenia. Jest to miara tego, o ile procent spada koszt danej technologii za każdym razem, gdy łączna ilość wdrożonej mocy się podwaja. Im wyższy wskaźnik, tym szybciej technologia tanieje z każdą kolejną instalacją.
Dla przykładu, panele słoneczne mają jeden z najwyższych wskaźników w historii rzędu 20-25 proc. To znaczy, że za każdym razem, gdy globalna moc zainstalowana w fotowoltaice się podwaja, koszt jednego wata spada o 1/5 do 1/4. Właśnie dlatego cena energii słonecznej runęła w ciągu ostatnich dwóch dekad o ponad 90 proc. Turbiny wiatrowe mają z kolei wskaźnik nieco niższy, ale wciąż imponujący. Elektrownie jądrowe oparte na rozszczepieniu, czyli tradycyjne atomówki, mają wskaźnik na poziomie zaledwie 2 proc. Kolejne reaktory jądrowe są więc niewiele tańsze od poprzednich.
Dotychczasowe projekcje kosztów fuzji zakładały wskaźnik doświadczenia na poziomie 8-20 proc. Gdyby te liczby się potwierdziły, elektrownie fuzyjne miałyby szansę stać się konkurencyjne cenowo w perspektywie kilkudziesięciu lat. Na tych właśnie założeniach opierają się decyzje inwestycyjne i polityczne dotyczące finansowania fuzji. Problem w tym, że jak wykazali badacze z ETH Zurich te liczby nie mają solidnych podstaw.
Skąd wzięły się te nierealistyczne założenia?
Zespół kierowany przez profesora Tobiasa Schmidta zastosował metodę, która pozwala oszacować prawdopodobny wskaźnik doświadczenia technologii jeszcze przed jej masowym wdrożeniem. Zamiast opierać się na historycznych danych kosztowych, których w przypadku fuzji po prostu nie ma, bo żadna elektrownia fuzyjna nigdy nie została zbudowana, badacze porównali cechy konstrukcyjne przyszłych elektrowni fuzyjnych z cechami technologii, dla których takie dane istnieją.
Przeanalizowali trzy parametry: wielkość jednostki (jak duża jest pojedyncza elektrownia), złożoność konstrukcji (ile podsystemów i jak skomplikowanych wymaga) oraz stopień indywidualizacji (na ile każda instalacja musi być projektowana od nowa). Następnie porównali te cechy z analogicznymi technologiami – od paneli słonecznych, przez turbiny gazowe, po tradycyjne elektrownie jądrowe – dla których wskaźniki doświadczenia są znane z wieloletnich obserwacji.
Przeprowadzili też 28 pogłębionych wywiadów z ekspertami z sektora publicznego i prywatnego, obejmujących zarówno fuzję magnetyczną, gdzie gorącą plazmę utrzymuje się w polu magnetycznym (tak działa ITER), jak i fuzję inercyjną, w której paliwo jest ściskane potężnymi laserami.
Wniosek był niestety jednoznaczny. Elektrownie fuzyjne to obiekty ogromne, niezwykle złożone technicznie i wymagające wysokiego stopnia indywidualizacji. Pod tym względem najbardziej przypominają tradycyjne elektrownie jądrowe. A te, jak wiemy, praktycznie nie tanieją z kolejnymi wdrożeniami. Realistyczny wskaźnik doświadczenia dla fuzji to według badaczy 2-8 proc., a nie 8-20 proc., jak zakładano w dotychczasowych modelach kosztowych.
Fuzja jest bardzo trudna do standaryzacji
Różnica między panelem słonecznym a elektrownią fuzyjną jest fundamentalna i dotyczy samej natury tych technologii. Panel słoneczny to w gruncie rzeczy stosunkowo prosty produkt, który można wytwarzać masowo na liniach produkcyjnych, jak telewizory czy smartfony. Każdy kolejny egzemplarz jest taki sam. Właśnie dlatego efekt skali działa potężnie: im więcej produkujesz, tym bardziej optymalizujesz procesy, tym taniej wychodzi.
Elektrownia fuzyjna to coś z zupełnie innej kategorii. Reaktor tokamak (dominujący typ reaktora fuzji magnetycznej) wymaga nadprzewodzących magnesów zdolnych do wytworzenia pól magnetycznych o potwornej sile, systemu podgrzewania plazmy do temperatur przekraczających 100 mln st. C (kilkukrotnie więcej niż temperatura wnętrza Słońca), obiegu trytu, czyli radioaktywnego izotopu wodoru, który trzeba wytwarzać wewnątrz samego reaktora oraz systemów chłodzenia, ochrony radiologicznej, diagnostyki i sterowania, z których każdy jest sam w sobie skomplikowanym projektem inżynierskim.
Reaktory fuzji laserowej (inercyjnej) nie są prostsze. Wymagają baterii potężnych laserów, precyzyjnych systemów celowania, mechanizmów dostarczania paliwa w postaci maleńkich pastylek i komory reakcyjnej zdolnej wytrzymać powtarzające się mikroeksplozje termojądrowe. Każda elektrownia tego typu jest de facto unikatowym obiektem przemysłowym, a nie produktem seryjnym.
To właśnie ta złożoność sprawia, że wskaźnik doświadczenia nie może być wysoki. Technologie złożone, wielkie i wymagające indywidualnego podejścia historycznie tanieją powoli. Nie dlatego, że inżynierowie nie próbują, ale dlatego, że w tego rodzaju projektach zyski ze standaryzacji są strukturalnie ograniczone.
Co to tak właściwie oznacza dla polityki energetycznej?
Badanie z ETH Zurich uderza w fundament, na którym opierają się najważniejsze decyzje o finansowaniu fuzji. Jeśli wskaźnik doświadczenia wynosi nie 15, lecz 5 proc., krzywa spadku kosztów elektrowni fuzyjnych przebiega dramatycznie płasko. Przy takim tempie uczenia się fuzja potrzebowałaby setek, jeśli nie tysięcy wdrożeń, żeby zbliżyć się kosztowo do poziomu, na którym już dziś są farmy wiatrowe i słoneczne. A te technologie w międzyczasie będą nadal tanieć.
Autorzy nie twierdzą oczywiście, że fuzja jest niemożliwa fizycznie ani że badania nad nią są bezwartościowe. Ich argument jest po prostu stricte ekonomiczny. Przy obecnych projektach reaktorów (zarówno magnetycznych, jak i laserowych) elektrownie fuzyjne prawdopodobnie nie osiągną konkurencyjności cenowej z odnawialnymi źródłami energii. Chyba że pojawią się zupełnie nowe konstrukcje, które będą mniejsze, prostsze i bardziej podatne na standaryzację.
Przeczytaj także:
To bardzo ważne, bo oznacza, że publiczne pieniądze przeznaczane na fuzję mogłyby być w niektórych przypadkach skuteczniej wydane na rozwój i wdrażanie technologii, które już dziś działają – fotowoltaikę, energetykę wiatrową, magazyny energii, geotermię. W obliczu potężnego szoku energetycznego, wywołanego eskalacją na Bliskim Wschodzie i drastycznym odcięciem globalnych dostaw surowców przez cieśninę Ormuz, państwowa kasa znalazła się pod dużą presją. W tych ekstremalnych warunkach urzędnicze pytanie o priorytetyzację wydatków na energetykę nabiera ono brutalnej ostrości.
