Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
MIROSŁAW DWORNICZAK: Tokamak czy stellarator? Która z tych konstrukcji ma większą szansę na to, aby uzyskać efektywną energię? A może są plany zupełnie nowych urządzeń?
MARCIN JAKUBOWSKI: Dwa główne trendy badań to nadal tokamaki i stellaratory. Tokamak jest najbardziej zaawansowanym konceptem reaktora termojądrowego: europejski JET i amerykański TFTR potrafiły wytworzyć znaczącą ilość energii z reakcji syntezy termojądrowej (JET w 1997 r. 16 MW, co dało wartość Q = 0,65). ITER powstający na południu Francji ma już osiągnąć Q = 10, czyli wytworzyć 10 razy więcej energii, niż się w niego włoży.
Stellaratory w rozwoju są o jedną generację do tyłu. Dopiero Wendelstein 7-X – na którym obecnie pracuję, po wielu latach pracy na tokamakach – i japoński LHD rozmiarem dorównują dużym tokamakom i żaden jeszcze nie badał plazm z deuterem i trytem. Ale myślę, że w przyszłości to stellaratory będą pracującymi reaktorami. Są trudniejsze w budowie, bo mają bardziej skomplikowany kształt niż tokamaki, ale nie potrzebują prądu płynącego w plazmie, który jest niezbędny tokamakowi, by stworzyć utrzymujące ją pole magnetyczne.
Tokamak jest trochę jak baron Münchausen, który sam siebie wyciągał za włosy z jeziora; plazma sama wytwarza część pola magnetycznego, które ją utrzymuje w komorze. W efekcie zjawiają się w niej niestabilności, które mogą doprowadzić do zerwania sznura plazmy. Dlatego tokamaki wymagają skomplikowanych systemów automatycznej kontroli, tak by móc uniknąć niestabilności. Stellaratory nie mają tego problemu. Całe pole magnetyczne wytwarzane jest przez zewnętrzne cewki magnetyczne, przez co działają bardzo stabilnie, co pokazał Wendelstein 7-X. Podczas ostatniej (drugiej w historii) kampanii udało nam się uzyskać plazmy trwające nawet 100 sekund. Tak długie wyładowania są ogromnym wyzwaniem dla tokamaków działających impulsowo. Stellaratory mogą działać w sposób ciągły. W przypadku Wendelsteina 7-X długość wyładowania była ograniczona powodami technicznymi, a nie możliwościami plazmy. W dodatku stellarator w Greifswaldzie zbliżył się także dość mocno do tokamaków pod względem parametrów plazmy (gęstości, temperatury i czasu utrzymania energii).
Czytaj także: Mirosław Dworniczak: Energia z gwiazd i obwarzanków
Co rusz z USA słyszymy o nowych startupach, które już za parę lat mają produkować energię w urządzeniach wielkości stołu. Bardzo sceptycznie podchodzę do takich stwierdzeń. Reaktory termojądrowe (wbrew wizji z filmu „Powrót do przyszłości”) muszą być duże. Energia wyprodukowana w reaktorze jest proporcjonalna do jego objętości, straty energii są proporcjonalne do powierzchni plazmy. Im większy rozmiar reaktora, tym lepszy stosunek objętości do powierzchni.
Już kilkadziesiąt lat temu pisano, że elektrownie oparte na fuzji jądrowej to kwestia 10-15 lat. Jak Pan to widzi z dzisiejszej perspektywy?
Jest nawet taki żart wśród fizyków z mojej dziedziny, że jedyną wielkością stałą w badaniach nad syntezą termojądrową jest 30 lat do elektrowni termojądrowej.
W latach 90. weszliśmy w fazę rozwoju, w której potrzebne są duże eksperymenty, wykraczające poza możliwości jednego kraju. Dlatego projekty takie jak ITER powstają jako konsorcja międzynarodowe, które wymagały długich i skomplikowanych negocjacji polityków. Te opóźniły ITER o kilkanaście lat. Do tego dochodzi różnica skali i skomplikowania projektu. Wendelstein 7-X był opóźniony o siedem lat, bo na początku XXI wieku nie doceniono, jak bardzo jest skomplikowany. Wymagał wielu technologii, które trzeba było udoskonalić.
Teraz działa wyśmienicie, choć trzeba było przejść z eksperymentów czysto naukowych na eksperymenty, które coraz bardziej przypominają działające elektrownie. ITER ruszy na dobre około 2025 r., więc można się spodziewać, że pierwszy prototyp elektrowni powstanie 20-30 lat po jego uruchomieniu. Oprócz Europy mocno w syntezę termojądrową inwestują Chiny i Korea Południowa, co dobrze wróży rozwojowi technologii. Można też na to spojrzeć inaczej – gdy uda nam się opanować produkcję energii syntezy termojądrowej, to pozyskamy źródło energii na miliony lat. Paliwem reaktora termojądrowego jest deuter, który można pozyskać z wody w oceanach, i tryt, który zostanie wytworzony w cyklu zamkniętym w samym reaktorze. Czymże jest więc kilkadziesiąt lat oczekiwania wobec praktycznie – w skali czasowej ludzkości – niewyczerpalnego źródła energii?
Umiemy już „zapalać” plazmę i uzyskiwać znaczącą temperaturę. Co jest obecnie największym problemem, który trzeba rozwiązać, zanim stworzymy elektrownię opartą na fuzji jądrowej?
Widzę dwa duże wyzwania na następne lata. Pierwsze to krawędź plazmy i jej oddziaływanie z komorą reaktora. Musimy znaleźć materiały, które wytrzymają bombardowanie neutronów i ogromne strumienie ciepła (porównywalne z tymi, których doświadcza rakieta przechodząca przez atmosferę ziemską podczas lądowania) na tyle długo, by reaktor termojądrowy był opłacalny, czyli by nie trzeba było elementów pierwszej ściany wymieniać zbyt często. Drugie wyzwanie, w przypadku tokamaka, to zapewnienie stabilności plazmy, przy minimalnej informacji diagnostycznej, którą będzie miała elektrownia. Obecne eksperymenty mają dużo sensorów pomiarowych, które pozwalają dokładnie mierzyć, co się dzieje w plazmie, i reagować na niepożądane zjawiska. W elektrowni większość z sensorów nie będzie działała w wyniku bombardowania neutronami. Drugi problem staje się łatwiejszy do pokonania, gdy zdecydujemy się na stellarator.
W jakim kierunku powinna pójść energetyka, jeśli na elektrownie termojądrowe trzeba będzie jeszcze długo czekać?
Na pewno musimy zrezygnować z węgla, który truje nas, środowisko i powoduje ocieplenie klimatu. Najkorzystniejszy wydaje się miks energetyczny: wiatr, woda, słońce i obecnie elektrownie jądrowe. Gdy wieje i dochodzą do nas promienie słoneczne, energetyka odnawialna daje sobie świetnie radę. Problem zaczyna sie, gdy nie wieje i nie świeci, a tak się przecież zdarza. Nawet przy stuprocentowym pokryciu średniego zapotrzebowania (co jest ogromym wyzwaniem) przez znaczącą część czasu nie będzie na tyle światła słonecznego i wiatru, by wyprodukować w każdej chwili tyle energii, ile potrzebowałaby Polska. Zwłaszcza przemysł potrzebuje bazowego, pewnego źródła energii. Ale także najludniejsze państwa, jak Chiny i Indie, nie zaspokoją swoich potrzeb tylko przy pomocy wiatru i Słońca. W dodatku w krajach rozwiniętych rośnie, a nie maleje zapotrzebowanie na energię – wkrótce jeszcze więcej jej będzie trzeba do zasilania samochodów elektrycznych. Sam wiatr i fotowoltaika nie wystarczą, potrzeba nam pewnego źródła energii, które łatwo można multiplikować. Przez następne 50 lat widzę w tej roli elektrownie jądrowe, które jako jedyne są w stanie produkować energię na każdej szerokości geograficznej o każdej porze dnia i nocy, nie emitując przy tym gazów cieplarnianych. Później dołączą elektrownie termojądrowe. ©
DR MARCIN JAKUBOWSKI zajmuje się syntezą termojądrową, pracuje w Instytucie Fizyki Maksa Plancka w Greifswaldzie przy projekcie Wendelstein 7-X.
