Pierwszą komercyjną elektrownię termojądrową otworzymy najpóźniej w 2030 roku – zapewnia David Kingham, współzałożyciel brytyjskiej firmy Tokamak Energy. Choć energetyka jądrowa nie ma ostatnio dobrej prasy, a plany budowania elektrowni atomowych spotykają się z krytyką i protestami, naukowcy wciąż pracują nad nowym sposobem pozyskiwania energii. Ten nowy sposób to synteza jądrowa – reakcja, która napędza Słońce.
CIEPŁO OBOK ZIMNA
Taka metoda produkcji energii ma wiele zalet. Paliwem dla reaktorów termojądrowych nie są niebezpieczne i trudno dostępne materiały, takie jak uran czy pluton, lecz lekkie atomy wodoru, helu lub boru. Gdy ich jądra atomowe łączą się ze sobą, uwalniane są ogromne ilości energii. Jeden gram wodoru „spalonego” w reaktorze termojądrowym może dać jej tyle, ile dostarcza 8 ton ropy naftowej lub 11 ton węgla kamiennego. Do zaspokojenia zapotrzebowania energetycznego całego świata wystarczyłoby rocznie kilkaset kilogramów izotopów wodoru (deuteru i trytu), które można uzyskać z morskiej wody.
Sęk w tym, że zmuszenie jąder atomowych do połączenia się wymaga ogromnych ciśnień i temperatur – takich jakie panują we wnętrzach gwiazd. Jądro Słońca jest rozgrzane do 27 mln stopni Celsjusza, a ciśnienie wynosi tam 400 mld atmosfer. Reaktory termojądrowe nie są w stanie osiągnąć takiego ciśnienia, dlatego zwiększają temperaturę do co najmniej 80 mln st. C. Wtedy powstaje rozżarzony gaz zwany plazmą, w którym mogą przebiegać reakcje termojądrowe. Aby był
on odpowiednio ściśnięty i nie spalił ścian reaktora, potrzebne jest bardzo silne pole magnetyczne.
Skąd je wziąć? Podobnie jak w aparaturze do rezonansu magnetycznego (MRI), korzystamy z bardzo silnych elektromagnesów. Ich cewki są wykonane z nadprzewodników, które muszą być schłodzone do temperatury minus 269 st. C. Jeśli wyobrazimy sobie przekrój przez ścianę reaktora, zobaczymy ogrom wyzwania, jakie stoi przed naukowcami i inżynierami. Z jednej strony plazma rozgrzana np. do 100 mln st. C, kilkanaście centymetrów dalej – mróz bliski
zera absolutnego. Reaktory termojądrowe są jednak pozbawione wad typowych dla tradycyjnych elektrowni atomowych. – Szybkością reakcji rozszczepienia atomów uranu trzeba precyzyjnie sterować, żeby nie doszło do niebezpiecznej reakcji łańcuchowej. W przypadku fuzji jest odwrotnie. Musimy włożyć bardzo dużo wysiłku, aby w ogóle doszło do reakcji. W przypadku jakiegokolwiek zaburzenia plazma po prostu wygasa – tłumaczy dr Maciej Krychowiak, polski fizyk pracujący przy eksperymentalnym reaktorze Wendelstein 7-X.
WIELKIE PIENIĄDZE, WIELKIE NADZIEJE
Największym projektem wykorzystującym fuzję termojądrową jest ITER (Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny). To ogromna instalacja budowana we Francji, finansowana przez Unię Europejską, Chiny, Indie, Japonię, Koreę, Rosję i USA kosztem 18 mld dolarów. Jej sercem jest reaktor typu tokamak – komora w kształcie obwarzanka, w której pole magnetyczne uwięzi plazmę. W ubiegłym roku projekt znalazł się na półmetku. – W 2025 r. planujemy pierwsze uruchomienie reaktora – ogłosił Bernard Bigot, szef ITER. Prace posuwają się wolno i pochłaniają mnóstwo pieniędzy m.in. dlatego, że ITER ma być kompleksową instalacją, przygotowaną do produkcji elektryczności. Oznacza to, że konstruktorzy muszą rozwiązywać wiele problemów jednocześnie.
Inni naukowcy idą na skróty – zajmują się tylko kwestią uzyskania fuzji termojądrowej, a o jej praktyczne wykorzystanie będą martwić się później. Pozwala to na szybsze uzyskanie rezultatów, tak jak w przypadku zbudowanego w Niemczech reaktora Wendelstein 7-X. To tzw. stellarator, którego komora ma skomplikowany, poskręcany kształt ułatwiający kontrolowanie plazmy za pomocą pola magnetycznego. Kosztował znacznie mniej niż ITER, bo zaledwie 2 mld euro i ma już na koncie pierwsze sukcesy. W czerwcu tego roku plazma w Wendelstein 7-X osiągnęła temperaturę 40 mln st. C i utrzymała ją przez 26 sekund.
Komora reaktora termojądrowego zwanego stellaratorem kształtem przypomina poskręcany obwarzanek. To część instalacji Wendelstein 7-X, której budowę ukończono w 2014 r. w Niemczech.
Warto zauważyć, że Polska aktywnie uczestniczy w badaniach nad fuzją. Przy ITER pracują naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy oraz Politechniki Wrocławskiej. Z kolei w Wendelstein 7-X Polska zainwestowała 6,5 mln euro, a także umiejętności badaczy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk, Politechniki Warszawskiej i Wrocławskiej, Uniwersytetu Opolskiego oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych. – Jesteśmy też w komitecie programowym eksperymentu. Patrząc w dłuższej perspektywie, będziemy mieli udział w wynikach badań, a to może oznaczać współwłasność technologii opracowywanych na tym urządzeniu – podkreśla prof. Jacek Jagielski z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.
CO Z ODPADAMI?
Energia termojądrowa często jest uznawana za czystą, ponieważ w wyniku połączenia izotopów wodoru powstaje nieszkodliwy hel. Jednak energię wyemitowaną podczas tej reakcji przenoszą przede wszystkim neutrony. Pozbywają się jej, zderzając się z atomami w wymiennikach ciepła i osłonach radiacyjnych reaktora. Powstają wówczas radioaktywne izotopy, których trzeba się później pozbyć. Dlatego naukowcy próbują tak dobrać materiał osłon, by izotopy rozpadały się w nim możliwie szybko i emitowały szkodliwe promieniowanie nie przez setki i tysiące lat, a raczej przez godziny czy dni.
SUROWCE PRZYSZŁOŚĆ BEZ WĘGLA I ROPY
SKĄD WZIĄĆ PALIWO DO REAKTORÓW
Aby uzyskać energię na drodze fuzji termojądrowej, niezbędne jest zderzanie jąder, które po połączeniu uwolnią energię. Im lżejsze jądra, tym łatwiej jest zapoczątkować reakcję fuzji.
DEUTER I TRYT
Izotopy wodoru zawierające odpowiednio jeden i dwa neutrony. Deuteru mamy pod dostatkiem w wodzie morskiej, natomiast tryt można wyprodukować z innego lekkiego pierwiastka – litu, który też można uzyskać z wody.
HEL-3
Rzadki izotop, który podczas reakcji termojądrowej z deuterem generuje ogromną ilość energii. 100 kg helu-3 mogłoby przez rok zasilać całą Warszawę, ale na Ziemi jest go tylko 10 kg. Większe złoża są w kosmosie, np. na Księżycu.
BOR-11
Łącząc się z wodorem wytwarza o połowę mniej energii niż reakcja deuter-tryt, ale nie powstają wówczas neutrony, co oznacza brak radioaktywnych odpadów. Sole boru nie są drogie, wydobywa się je w kopalniach znajdujących się w USA i Turcji.
Innym rozwiązaniem tego problemu jest wykorzystanie tzw. fuzji aneutronowej. W jej wyniku nie powstają neutrony, a energia uzyskana podczas reakcji może być zamieniana od razu na elektryczność, bez pośrednictwa wymienników ciepła i turbin. Już w latach 70. XX wieku prof. Heinrich Hora z Uniwersytetu
Nowej Południowej Walii przewidział, że fuzję aneutronową można przeprowadzić, zderzając ze sobą jądra atomowe boru i wodoru. Potrzebna jest do tego gigantyczna temperatura sięgająca 3 mld stopni Celsjusza. Można ją uzyskać, strzelając w atomy krótkimi intensywnymi impulsami światła z laserów.
– Najnowsze symulacje i eksperymenty potwierdziły, że to jest możliwe. Myślę, że dzięki temu szybciej i taniej niż inni skonstruujemy reaktor fuzyjny – mówi prof. Hora. Ma się tym zająć australijska firma HB11 Energy bazująca na metodzie opracowanej przez uczonego. – Większość potrzebnych technologii, w tym lasery do podgrzewania plazmy, można już bez problemu kupić. Powinniśmy mieć działający prototyp reaktora w ciągu najdalej 10 lat – zapowiada szef firmy Warren McKenzie.
WYŚCIG PRYWATNYCH ELEKTROWNI
Nad podobną technologią pracuje amerykańska TAE Technologies, finansowana m.in. przez Google i Paula Allena, jednego z założycieli Microsoftu. Projektowany przez nią reaktor zwany Norman (od imienia nieżyjącego już Normana Rostokera, jednego z założycieli firmy) ma utrzymywać plazmę nie w kształcie dużego obwarzanka, jak np. w ITER, lecz w formie spłaszczonej kuli. Aby tego dokonać, inżynierowie korzystają z pomocy sztucznej inteligencji. Dzięki symulacjom komputerowym mogą sprawdzić, jak ustawić pole magnetyczne w reaktorze, by rozgrzana plazma nie uszkodziła jego ścian. – Gdybyśmy
nie mieli do dyspozycji mocy obliczeniowej komputerów Google, projektowanie reaktora trwałoby o kilka lat dłużej – mówi Michl Binderbauer, prezes TAE Technologies. I zapowiada, że w ciągu roku–dwóch eksperymentalna instalacja zacznie produkować energię. Nad reaktorami fuzyjnymi intensywnie pracują także koncerny zbrojeniowe. W 2014 r. Lockheed Martin (znany m.in. z myśliwców F-16) ogłosił, że prowadzi prace nad kompaktowym reaktorem fuzyjnym do napędzania lotniskowców. W 2016 r. firma uznała, że badania należy kontynuować, ale szczegóły – co normalne w tej branży – nie są ujawniane.
Pierwszy prototyp reaktora Lockheed Martin ma zostać uruchomiony w przyszłym roku. Równie szybko działają inne prywatne firmy. Commonwealth Fusion Systems z USA chce wykorzystać nową generację półprzewodników, dzięki którym konstrukcja reaktora będzie prostsza i tańsza. Bazując na pracach uczonych z Massachusetts Institute of Technology, firma ma zbudować prototypowy reaktor SPARC za jedyne 50 mln dolarów. Z kolei wspomniana wcześniej brytyjska Tokamak Energy potrafi już wyprodukować plazmę o temperaturze 15 mln st. C. Do 2025 r. ma uruchomić instalację zdolną do produkcji energii elektrycznej, a pięć lat później – pierwszą komercyjną elektrownię. W tym samym czasie Polska ma kończyć budowę swej pierwszej elektrowni atomowej – tyle że wykorzystującej uran…
Marcin Bójko – dziennikarz specjalizujący się w naukach ścisłych i nowych technologiach, z wykształcenia matematyk.
współpraca Karolina Głowacka