Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Fuzja termojądrowa od przeszło pół wieku rozpala nadzieje na tanią energię, którą można czerpać prosto z... wody. Reakcja ta zachodzi w gwiazdach, a polega na połączeniu dwóch (lub więcej) jąder atomowych w jedno cięższe. Gdy łączą się jądra lżejsze niż żelazo (o liczbie masowej 56, co oznacza, że atom żelaza ma 56 nukleonów), reakcja generuje energię unoszoną w postaci promieniowania elektromagnetycznego i różnych cząstek elementarnych. Zaś połączenie jąder cięższych od żelaza pochłania energię. Z rozszczepieniem jąder atomowych jest dokładnie na odwrót – cięższe od żelaza generują w czasie rozpadu energię, a lżejsze pochłaniają.
W wojskowości umiemy już wykorzystywać obydwie reakcje. Budujemy bomby wodorowe, oparte na zjawisku fuzji, oraz bomby z uranu i plutonu, których niszcząca siła bierze się z rozszczepienia jąder atomowych. Do produkcji energii w mniej wybuchowy sposób umiemy na razie zaprząc tylko reakcję rozpadu promieniotwórczego. I to z niezłym skutkiem – na świecie prąd produkowany jest w przeszło 400 takich elektrowniach.
Największy jednak problem z elektrowniami atomowymi tkwi w zdobyciu paliwa. Stanowiący paliwo izotop uranu 235 to ledwie 0,7 proc. ziemskich zasobów tego pierwiastka, wynoszących około 40 mln ton możliwych do wydobycia (plus, jak szacują Japończycy, 4 mld ton rozpuszczone w wodzie morskiej).
By ustalić skalę: gdyby Polska produkowała całą swoją energię elektryczną w elektrowniach atomowych, potrzebowalibyśmy rocznie około 20 ton uranu. A uran, jak na razie, wydobywa się na tyle prosto, że kilogram rudy kosztuje nieco ponad sto dolarów (do uzyskania 20 ton paliwa potrzeba od 60 do 300 ton rudy uranu, w zależności od tego, w jakiej technologii pracuje reaktor). Tyle że nie jest on powszechnie dostępny i trudno powiedzieć, co będzie za dziesięć czy pięćdziesiąt lat. Pamiętać też należy, że koszt samej rudy jest znikomy w porównaniu ze skomplikowanym procesem technologicznym przygotowania paliwa. Ostatecznie koszt paliwa uranowego pokrywającego zapotrzebowanie naszego kraju to wydatek rzędu 760 mln euro – dla porównania koszt palenia węglem (wraz z kwotami za emisję CO2) jest 10 razy wyższy.
Po prostu ścisnąć i rozgrzać
Tymczasem w reaktorze wykorzystującym fuzję termojądrową paliwem są izotopy wodoru: deuter i tryt. Od zwykłego atomu wodoru różnią się tym, że jądro deuteru zawiera oprócz protonu jeszcze jeden neutron, a trytu – dwa.
Deuteru jest sporo w wodzie. Na Ziemi jeden na 6 tys. atomów wodoru jest deuterem, zaś wodór to najczęściej występujący pierwiastek w przyrodzie, stanowi 75 proc. masy (widocznej) materii we wszechświecie. Na skalę przemysłową uzyskuje się deuter po prostu filtrując wodę. Gdybyśmy dysponowali reaktorem termojądrowym, to ilość wody, jaką zawiera np. jezioro Śniardwy, starczyłaby jako paliwo potrzebne do zaspokojenia wszystkich naszych potrzeb energetycznych na tysiące lat. A Bałtyk – na miliony.
Z trytem jest gorzej. W naturze nie występuje w dużych ilościach z uwagi na krótki okres połowicznego rozpadu. Ale można założyć, że jego wytwarzanie jest w miarę proste. Za to fuzja termojądrowa deuteru z trytem jest czterokrotnie wydajniejszą reakcją niż rozpad uranu. A na dodatek bezpieczniejszą, ponieważ nie jest to reakcja łańcuchowa i nie ma szans wyrwać się spod kontroli.
Nic dziwnego, że naukowcom udało się namówić siedem mocarstw: Unię Europejską, Indie, Japonię, Chiny, Rosję, Koreę Południową i USA – na wyłożenie, bagatela, 5 mld euro, żeby zbudować eksperymentalny reaktor ITER, który do 2027 r. ma zacząć produkować 500 megawatów energii. Mało tego – po przekroczeniu budżetu mocarstwa dosypały bez szemrania kolejne 8 mld. Nie jest to może bardzo duża kwota w kontekście budżetu państwa; nawet Polska, gdyby zrezygnowała z budowy połowy autostrad, mogłaby sobie zafundować taki reaktor. Ale z drugiej strony, jego nazwa to skrót od International Thermonuclear Experimental Reactor (Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny), gdzie słowo „eksperymentalny” ma bardzo duże znaczenie. Eksperyment nie musi się udać. To się przecież zdarza w nauce.
By uzyskać reakcję fuzji termojądrowej, wystarczy ścisnąć i rozgrzać gaz. Na Słońcu kwestię ściskania i rozgrzewania załatwia grawitacja. W bombie wodorowej reakcja fuzji inicjowana jest za pomocą... bomby atomowej, zapewniającej odpowiednią temperaturę i ciśnienie. Rzecz jasna, obydwa sposoby nie bardzo pozwalają na kontrolowanie fuzji termojądrowej.
Ale piekielne warunki niezbędne do uzyskania fuzji można wygenerować w inny sposób: podgrzewać promieniowaniem mikrofalowym (prawie tak jak w domowej kuchence, ździebko tylko większej), a ściskać za pomocą silnego pola elektromagnetycznego. Takie pole potrafimy generować przy użyciu elektromagnesów z nadprzewodników.
Mamy więc wszystkie klocki układanki. Proste. Teoretycznie.
Kapryśna plazma
W praktyce nie jest tak łatwo. Rozgrzany do ogromnych temperatur gaz staje się plazmą, która składa się z jonów, a więc elektrycznie naładowanych cząstek. Są one podatne na pole magnetyczne i elektryczne, więc manipulując odpowiednio silnymi polami można wiele uzyskać. Eksperymenty z reaktorami fuzyjnymi trwają już 65 lat. Te, które utrzymywały plazmę w ryzach za pomocą pola magnetycznego, dzieliły się na stellaratory i tokamaki.
Tokamaki miały prostszy – czyli łatwiejszy w projektowaniu i budowie – kształt. Zaś stellaratory pozwalały utrzymać stabilną plazmę właśnie dzięki skomplikowanej geometrii. Dosyć szybko okazało się, że jak na możliwości techniczne drugiej połowy XX wieku, stellaratory były zbyt skomplikowane. Cała para poszła więc w tokamaki, które rosły i rosły z każdą dekadą, aż do ITER-a. Ale nieustanny wzrost tokamaków powodował wzrost problemów technicznych. Jednym z nich były prądy puszczane przez plazmę w celu nadania jej idealnie obwarzankowatego kształtu.
Im większy reaktor, tym większy był potrzebny prąd, którego natężenie dochodzi do milionów amperów. Drobna niestabilność plazmy potrafi zatrzymać cały ładunek w miejscu, co prowadzi do gwałtownego uwalniania energii, przy którym piorun jest jak iskra zapalniczki w porównaniu z wybuchem granatu. Czarnowidze twierdzą, że gdy ITER zostanie uruchomiony, taka niestabilność szybko doprowadzi do na tyle dużego uszkodzenia reaktora, że nie będzie co zbierać (oficjalnie: koszty naprawy nie będą miały uzasadnienia ekonomicznego).
Dlatego naukowcy eksperymentujący z fuzją zaczęli odgrzebywać pomysły sprzed lat. I powrócili do zarzuconych projektów stellaratorów. Okazało się, że na początku XXI w. komputery mogą bardzo wydatnie pomóc w budowaniu tych urządzeń. Największy problem, którym jest wymyślenie dobrego kształtu, okazał się stosunkowo prosty do rozwiązania w dobie symulacji plazmy w superkomputerach. Zaś komputerowe projektowanie sprawia, że budowa urządzenia dopasowanego do wcześniej wymyślonego kształtu wcale nie jest taka trudna. A na pewno prostsza niż w czasach desek kreślarskich i suwaków logarytmicznych.
Tak powstał Wendelstein 7-X (W7-X), eksperymentalny stellarator wybudowany w Greifswald, w niemieckim Instytucie Maksa Plancka.
Niemiecki prymus
Budowa zaczęła się w 2005 r. Od 2014 r. trwało sukcesywne uruchamianie podzespołów. Natomiast w grudniu 2015 r. udało się w tym reaktorze wytworzyć pierwszą plazmę. Być może już w 2016 r. uda się uzyskać pierwszą reakcję fuzji termojądrowej.
Dzika geometria plazmy, która ujęta w pokręcone zwoje jest w stanie sama się utrzymać w stabilnej formie, prowadzi do tego, że reaktor ma bardzo skomplikowany kształt. Gdybyśmy porównali reaktor termonuklearny do obwarzanka, to ITER wyszedłby spod ręki najlepszego piekarza w kraju, zaś W7-X spod ręki trzylatka, któremu ów piekarz udzielał na migi instrukcji, jak zrobić obwarzanek. Jednak dzięki temu reaktor ma zapewnić podtrzymanie reakcji fuzji aż przez 30 minut.
Aż? Wydaje się, że to słaby wynik. Ale ITER zaprojektowany jest na tysiąc sekund, czyli połowę tego, co W7-X. W ITER-ze górnym ograniczeniem czasu reakcji jest ryzyko wystąpienia niebezpiecznych zaburzeń plazmy prowadzących do niekontrolowanego uwalniania energii. W W7-X są nimi problemy z chłodzeniem, bowiem reaktora nie projektowano do produkcji energii, lecz jako eksperyment – i energię powstającą w wyniku reakcji jakoś trzeba z budynku odprowadzić. Według obliczeń, po 30 minutach fuzji trzeba będzie właśnie ochłodzić reaktor. ITER-a po 30 minutach prawdopodobnie można by najwyżej pozamiatać.
Warto dodać, że w obu projektach biorą udział polscy naukowcy. Zmyślnie, bo zgodnie z umowami będziemy mieli dostęp do technologii opracowanych na potrzeby obydwu reaktorów. Więc w razie czego, gdyby na Mazurach (w okolicach Śniardw, rzecz jasna) miała powstać elektrownia termonuklearna, wybierzemy lepsze rozwiązanie.
Wiadomo nawet, kiedy mniej więcej to będzie. Od 65 lat naukowcy zajmujący się fuzją obiecują: „już za 20 lat będziemy mieli odpowiednią technologię”. ©
