Energia z gwiazd i z obwarzanków

Trzeba wziąć nieco deuteru albo mieszaniny deuteru z trytem, solidnie podgrzać – i gotowe. Rozpoczyna się proces fuzji jądrowej, prowadzący do powstawania cięższych pierwiastków i wyzwalający gigantyczną, a przy tym czystą energię. Idea w założeniu prosta, kopiuje zjawisko znane z przyrody. Ale jak dotąd nikomu się to nie udało w warunkach kontrolowanych.

Na początku był wodór

Historia badań nad fuzją jądrową sięga lat 30. XX w. Najbardziej zaawansowane prace poświęcone łączeniu się jąder atomowych prowadzono na Uniwersytecie w Cambridge w słynnym Laboratorium Cavendisha, którego szefem był Ernest Rutherford – odkrywca jądra atomowego. Zaczęło się od teoretycznych rozważań dotyczących tego, skąd się bierze energia gwiazd. W 1920 r. Arthur Eddington zasugerował, że jest ona wynikiem łączenia się jąder wodoru, ale jego pomysł spotkał się z dużym sceptycyzmem.

Jednak tuż przed wybuchem II wojny światowej spójną teoretyczną koncepcję nukleosyntezy przedstawił Hans Bethe. Zgodnie z nią w gwiazdach zachodzi cykl reakcji, który rozpoczyna się połączeniem dwóch protonów (jąder wodoru). W wyniku tej reakcji powstaje jądro deuteru, które wchodzi w kolejną reakcję z protonem, dając w efekcie jądro helu-3. Następnie dwa jądra helu-3 łączą się, dając jako produkt końcowy jądro helu-4 oraz dwa protony. Sumarycznie, w wersji uproszczonej: 4 jądra wodoru dają jądro helu-4 oraz sporą ilość energii. Powstaje ona w wyniku przekształcenia części masy jąder wodoru w energię, zgodnie ze znanym wzorem Einsteina E = mc2.

Enrico Fermi obliczył w 1944 r., że aby reakcja była samopodtrzymująca, niezbędne jest osiągnięcie minimalnej temperatury 50 mln stopni.

W fizyce, ale też przecież w życiu, aby uzyskać pewną korzyść, trzeba zwykle najpierw zainwestować. Weźmy pod uwagę zderzenie dwóch protonów. Ponieważ są to dwie cząstki naładowane dodatnio, będą się odpychać. Aby doszło do ich zetknięcia się, trzeba je przyspieszyć do takiej prędkości, aby przekroczona została elektryczna „bariera odpychająca” – bo gdy protony będą odpowiednio blisko, znajdą się już pod wpływem swoich sił jądrowych, które odpowiadają ostatecznie za zajście reakcji jądrowej i uwolnienie energii. Potrzebna jest więc „na zaczyn” pewna dawka energii ruchu, czyli energii kinetycznej. Wysoka energia kinetyczna to natomiast tak naprawdę tylko inna nazwa na wysoką temperaturę – stąd „termo-” w określeniu „reakcja termojądrowa”.

Pierwsze prace eksperymentalne nad tymi reakcjami to dzieło sir Marka Oliphanta, pracującego właśnie w Laboratorium Cavendisha. To on odkrył istnienie jąder helu-3 oraz trytu – najcięższego z izotopów wodoru, złożonego z protonu i dwóch neutronów. Oczywiście w tamtym czasie nie był w stanie uzyskać reakcji samopodtrzymującej, ale pokazał, że możliwe jest uzyskanie wspomnianych izotopów helu i wodoru. Pierwszy krok został wykonany.

Wyniki badań fizyków zainteresowały armię. Już w trakcie projektu Manhattan, mającego na celu stworzenie bomby jądrowej (uranowej i plutonowej), powstał specjalny zespół, którego zadaniem było opracowanie koncepcji bomby termojądrowej – opartej na procesie łączenia jąder lekkich pierwiastków, a nie na rozpadzie promienio­twórczych pierwiastków ciężkich (jak w bombie atomowej). Pracami kierował Edward Teller, a niebagatelną rolę odegrał w nich także polski matematyk Stanisław Ulam.

Pierwszy ładunek termojądrowy o mocy wybuchu ok. 10 MT (tzn. równej eksplozji 10 mln ton trotylu, ponad 600 razy potężniejszy od bomby atomowej, która spadła na Hiroszimę) został zdetonowany przez Stany Zjednoczone w 1952 r. Największa bomba termojądrowa powstała w ZSRR – jej moc szacuje się na 58 MT. Naukowcy oraz inżynierowie nauczyli się budować straszliwe bomby, ale już wtedy rozważano możliwość zaprzęgnięcia gigantycznej energii syntezy jądrowej do celów pokojowych. Pierwsze eksperymentalne elektrownie jądrowe oparte na reakcji rozpadu powstały pod koniec lat 40. XX w., a w kolejnej dekadzie zaczęto je budować na dużą skalę. W tym samym czasie powstawały też pierwsze projekty elektrowni opartych na zjawisku fuzji jądrowej. Wydawało się, że konwencjonalne wersje powstaną nie później niż na początku lat 70. XX w.

Problemy i tokamaki

Aby zainicjować proces fuzji, trzeba podgrzać izotopy wodoru – deuter albo jego mieszaninę z trytem – do wielkiej temperatury. To pierwszy problem. Drugim, jeszcze poważniejszym jest utrzymanie powstałej w tym procesie plazmę w jednym miejscu i w stabilnej formie. Nie istnieje żaden materiał, który mógłby być pojemnikiem dla gorącej plazmy. Można jednak wykorzystać jej właściwości. Jest ona dobrym przewodnikiem prądu (ponieważ składa się z jonów). Wiemy, że ładunki elektryczne oddziałują z polem magnetycznym. Jeśli więc stworzymy pole o odpowiednim kształcie, plazma będzie się poruszać ruchem okrężnym wokół linii pola, ale też wzdłuż tych linii.

To zjawisko legło u podstaw konstrukcji zwanej tokamakiem. Pomysł zrodził się w Związku Radzieckim w 1950 r., a jego autorami są Igor Tamm oraz Andriej ­Sacharow. Zaproponowali oni budowę komory w kształcie torusa (obwarzanka), wokół której umieszczona jest cewka ­magnetyczna. Do wnętrza tokamaka wprowadza się deuter albo jego mieszaninę z trytem. Włączenie prądu wokół torusa powoduje ogrzewanie i jonizację atomów, co daje w efekcie plazmę. Wytworzona gorąca plazma ma się utrzymywać wewnątrz torusa właśnie dzięki oddziaływaniu z polem magnetycznym.

Czytaj także: Minimum pół wieku - Marcin Jakubowski o elektrowniach termojądrowych

Mamy tutaj poważne wyzwanie inżynierskie. Temperatura plazmy może sięgać 100 mln stopni. Z kolei pole magnetyczne musi być bardzo silne, co wiąże się z koniecznością silnego chłodzenia cewek (bliskiej zera absolutnego), aby można uzyskać tam efekt nadprzewodnictwa. W odległości kilku metrów mamy więc materię o ekstremalnie wysokiej i ekstremalnie niskiej temperaturze. Zapewnienie izolacji cieplnej jednej od drugiej jest bardzo trudne.

Eksperymentalne tokamaki powstały pod koniec lat 50. XX w. Jednak żaden z nich nie był w stanie osiągnąć dodatniego bilansu energii (tzw. wartości Q, czyli stosunku energii wprowadzonej do systemu do uzyskanej z syntezy jądrowej, większej od 1), mimo kilkudziesięciu lat eksperymentów. Do układu trzeba dostarczyć więcej energii, niż jesteśmy w stanie z niego uzyskać.

Największym działającym tokamakiem w Europie jest znajdujący się w Wielkiej Brytanii Joint European Torus, znany jako JET. Uruchomiony na początku lat 80. XX w. jest reaktorem testowym, gdzie bada się koncepcje konstrukcyjne, które będą wykorzystane przy budowie następnych tokamaków, w szczególności obecnie tworzonego europejskiego projektu ITER. Promień torusa tego reaktora ma 3 m, a objętość plazmy wynosi ok. 100 m3. Torus otacza zespół 32 magnesów, z których każdy waży 12 ton. Przez uzwojenia biegnie gigantyczny prąd o natężeniu 5 mln amperów. Uzyskanie plazmy wymaga doprowadzenia energii rzędu 500 MW. Aby móc taką ogromną ilość energii zgromadzić, stosuje się tzw. akumulator energii kinetycznej, którego zasada działania zbliżona jest do koła zamachowego. Dalsze prace nad tą konstrukcją stoją pod znakiem zapytania ze względu na brexit.

Aktualnie trwa budowa niedaleko Marsylii innego międzynarodowego tokamaka w ramach projektu ITER. Pierwotne plany zakładały oddanie go do użytku – wyłącznie badawczego – w 2019 r., ale dziś wiemy, że nie stanie się to wcześniej niż w 2025 r.

Stellaratory

Gdy Związek Radziecki konstruował tokamaki, w USA w latach 50. XX w. astrofizyk Lyman Spitzer wpadł na pomysł innego urządzenia, które od łacińskiego słowa stella (gwiazda) nazwał stellaratorem. W tym przypadku plazma nie jest zwinięta w helisę jak w tokamaku, ale przypomina kilkakrotnie zwiniętą wstęgę Möbiusa. Obliczenia sugerują, że w ten sposób łatwiej jest stabilizować gorącą plazmę. W pewnym sensie stabilizuje się ona sama z siebie. Wymaga to zbudowania specjalnej komory, zwykle z bardzo odpornego termicznie wolframu. Konstrukcja cewek oplatających komorę jest w tym przypadku znacznie bardziej złożona niż w przypadku tokamaka.

Pierwsze niewielkie konstrukcje dawały nadzieję na szybki postęp. Jednak w latach 60. XX w. okazało się, że większe modele generują istotne problemy. W każdym z urządzeń utrzymujących plazmę w pułapce następuje jej rozpraszanie – zaczyna ona po prostu uciekać ze stworzonej wstęgi. Zanikanie plazmy w stellaratorach następowało znacznie szybciej, niż przewidywały to modele teoretyczne. Początkowy entuzjazm dość szybko opadł i stellaratory przez jakiś czas były tylko ciekawostką naukową. Mniej więcej po dwóch dekadach powrócono do tej koncepcji i na przełomie XX i XXI w. rozpoczęły się ponowne badania. Obecnie zaawansowane są trzy konstrukcje oparte na stellaratorze – Helically Symmetric Experiment (HSX) znajdujący się na Uniwersytecie Wisconsin-Madison (USA), japoński Large Helical Device (LHD) oraz zbudowany tuż obok naszej granicy Wendelstein 7-X (­Greifswald, Niemcy).

Ten ostatni na dziś wydaje się najbardziej obiecującą konstrukcją. Pierwsze plany zaczęto opracowywać już w 1980 r., ale sam projekt był wdrażany dopiero po zjednoczeniu Niemiec w 1994 r. (­Greifswald leży na terenie dawnego NRD). Zakładano osiągnięcie zdolności operacyjnej w 2006 r., ale problemy z konstrukcją cewek spowodowały duże opóźnienia. Inauguracja gotowego stellaratora nastąpiła w maju 2014 r. Pierwsze testy prowadzono z użyciem helu. W grudniu 2015 r. udało się go podgrzać do temperatury miliona stopni, a już w lutym następnego roku – dziesięciokrotnie wyższej.

Obecnie w urządzeniu prowadzone są eksperymenty z plazmą wodorową. Kilka miesięcy temu poinformowano, że udało się osiągnąć temperaturę 20 mln stopni i utrzymać plazmę przez 100 sekund. To bardzo obiecujący wynik.

Projekt Wendelstein 7-X jest finansowany przede wszystkim przez Niemcy, ale pewna część środków pochodzi z Unii Europejskiej. Od jakiegoś czasu do budżetu dokładają się także Amerykanie. W badania zaangażowanych jest wiele instytucji naukowych z Niemiec, USA, Japonii oraz Unii. Swój udział mają też polskie placówki – Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy z Warszawy, Narodowe Centrum Badań Jądrowych z Warszawy oraz krakowski Instytut Fizyki Jądrowej PAN.

Marzenia o zimnej fuzji

Niezależnie od tego, czy dalsze prace rozwojowe pójdą w kierunku konstrukcji tokamaka czy też stellaratora, do rozwiązania pozostaje wiele problemów. Oprócz kłopotów ściśle konstrukcyjnych cały czas trwają prace nad metodami pozyskania trytu, który jest najefektywniejszym źródłem energii fuzyjnej. Jego produkcja jest jak na razie ekstremalnie droga, choć jeśli reaktory fuzyjne zaczną być budowane, pojawi się na niego duże zapotrzebowanie, co powinno napędzić produkcję i obniżyć ceny. Niestety, nie da się go wyprodukować na większy zapas – jego czas rozpadu to nieco ponad 12 lat.

Starsi czytelnicy zapewne pamiętają, że wiosną 1989 r. świat obiegła sensacyjna wiadomość o dokonaniu dwóch fizyków, Martina Fleischmanna i Stanleya Ponsa, którzy poinformowali, że udało im się uzyskać energię z fuzji atomów deuteru przez elektrolizę w temperaturze pokojowej ciężkiej wody na elektrodach wykonanych z palladu. Entuzjastyczne tytuły w prasie wieszczyły koniec problemów z energią na Ziemi. Jednak pomimo kilku lat eksperymentów nikomu nie udało się powtórzyć tych wyników.

Zimna fuzja Ponsa i Fleischmanna była powodem, dla którego noblista ­Julian Schwinger demonstracyjnie zrezygnował z członkostwa w Amerykańskim Towarzystwie Fizycznym po tym, gdy jedno z czasopism odrzuciło jego artykuł, który miał wyjaśniać przebieg tego zjawiska. Dziś pod pojęciem zimnej fuzji rozumiemy każdą metodę łączenia lekkich jąder, w której nie jest konieczna temperatura kilku lub kilku­dziesięciu milionów stopni.

W niektórych ośrodkach naukowych trwają prace nad taką właśnie zimną fuzją, ale są to projekty ściśle naukowe i niewielu naukowców wierzy, że jest szansa na ich praktyczne zastosowanie. ©