Synteza jądrowa, czyli energia gwiazd. Czy będzie punktem zwrotnym w walce z katastrofą klimatyczną?
Tania, czysta, niewyczerpana i bezpieczna – taka ma być energia pozyskiwana z reakcji termojądrowej. Jednak proces, który od miliardów lat zachodzi wewnątrz Słońca, ciągle jest bardzo trudno opanować na Ziemi. Kiedy ma szansę powstać pierwsza elektrownia termojądrowa?
W 2021 r. specjalnie przebudowanymi drogami na południu Francji szósty rok z rzędu jechały długie, oświetlone setkami migających świateł konwoje. Poruszały się tylko nocami, zawsze z małą prędkością. Wyruszały z portów nad Morzem Śródziemnym, a ich celem było centrum badawcze Cadarache w pobliżu miejscowości Saint-Paul-lez-Durance.
Ładunek, który przewoziły, wyprodukowano m.in. w Japonii, Korei Południowej, Chinach i Stanach Zjednoczonych. Były to wielometrowe części komory próżniowej, kilkusettonowe moduły centralnej cewki, fragmenty gigantycznych elektromagnesów (na zdjęciu). Każda była kluczowym elementem tokamaka ITER, najbardziej skomplikowanej maszyny, jaka w tej chwili powstaje na Ziemi.
„NIEDZIELA CIĘ ZASKOCZY” to nowy cykl OKO.press na najspokojniejszy dzień tygodnia. Chcemy zaoferować naszym Czytelniczkom i Czytelnikom „pożywienie dla myśli” – analizy, wywiady, reportaże i multimedia, które pokazują znane tematy z innej strony, wytrącają nasze myślenie z utartych ścieżek, zaskakują właśnie.
Tokamak to eksperymentalne urządzenie do wytwarzania energii. A dokładniej – maszyna, wewnątrz której ma zachodzić podobny proces, jaki zachodzi wewnątrz Słońca.
Nazywa się fuzją jądrową, syntezą jądrową lub reakcją termojądrową. Proces ten jest niebywale wydajny: szacuje się, że z kilograma paliwa termojądrowego może powstać 10 milionów razy więcej energii niż z kilograma węgla, ropy czy gazu.
To sprawia, że fuzję jądrową uważa się za największą nadzieję ludzkości na znalezienie źródła energii jednocześnie czystej, bezpiecznej i niewyczerpanej. Na razie jednak pełni ona co najwyżej rolę św. Graala współczesnej nauki. Po kilkudziesięciu latach badań i tysiącach eksperymentów wiadomo już, że opanowanie syntezy jądrowej jest znacznie trudniejsze niż kiedykolwiek sądzono.
Przeczytaj także:
Pierwsza fuzja na planecie Ziemia
Współczesne artykuły naukowe są pisane językiem wypranym z emocji. Jednak w pierwszej połowie poprzedniego wieku nawet uznani naukowcy pozwalali sobie na wzmianki o swoich uczuciach. „Byliśmy naprawdę zaskoczeni odkrywając, że bombardowanie ciężkiego wodoru jądrami deuteru daje tak potężny efekt” - przyznali w 1934 r. Ernest Rutherford (podpisany tytułem lordowskim) oraz jego asystenci Mark Oliphant i Paul Harteck.
Cytat pochodzi z artykułu opisującego jeden z przełomowych eksperymentów fizycznych XX wieku. W słynnym doświadczeniu Ernest Rutherford, noblista, badacz rozpadów promieniotwórczych, dokonał pierwszego połączenia jąder atomowych na Ziemi. Czyli fuzji jądrowej. Tym samym odtworzył proces, który zasila Słońce oraz miliony innych gwiazd w całym kosmosie.
Plazma, czyli najpowszechniejszy stan materii
Gdyby spojrzeć na Układ Słoneczny pod kątem zawartej w nim materii, jednym obiektem, który się liczy, jest Słońce. Jego masa stanowi ponad 99,8 proc. całkowitej masy Układu Słonecznego. Trzy czwarte Słońca to wodór, prawie cała reszta zaś – hel. Te dwa pierwiastki są zatem absolutnie dominujące, jeśli chodzi o procentowy skład Układu Słonecznego.
Lekcje fizyki przyzwyczaiły nas do myślenia, że istnieją tylko trzy stany skupienia: stały, ciekły i gazowy. To uproszczenie, wynikające z tego, że to właśnie je najczęściej spotykamy na Ziemi. Gdyby jednak jako punkt odniesienia przyjąć Układ Słoneczny, okazałoby się, że najwięcej jest w nim nie ciał stałych, cieczy czy gazów, tylko plazmy: wodoru w czwartym stanie skupienia.
Słońce składa się przede wszystkim właśnie z plazmy - ze zjonizowanego, wysokoenergetycznego gazu, który ściskany jest przez siłę grawitacyjną gwiazdy. W temperaturze sięgającej 15 mln st. C i pod ciśnieniem rzędu 10^16 Pa wewnątrz Słońca zachodzi reakcja termojądrowa. Odwrotnie niż w elektrowniach jądrowych – gdzie jądra atomów rozbijane są w procesie rozszczepienia – jądra wodoru łączą się, tworząc cięższy pierwiastek, hel. Przy okazji wydzielana jest gigantyczna ilość energii, która po ośmiominutowej podróży dociera na Ziemię w postaci światła i ciepła.
Dlaczego tak trudno zrobić na Ziemi Słońce?
Poza Słońcem jednak bardzo trudno jest sprawić, by jądra atomów się ze sobą łączyły. Przeciwdziała temu odpychanie elektrostatyczne. Jądra atomów składają się z naładowanych dodatnio protonów i nieposiadających ładunku elektrycznego neutronów. Mają więc ładunek dodatni. By połączyły się – co następuje dzięki oddziaływaniom silnym, jednemu z czterech rodzajów oddziaływań istniejących we Wszechświecie – konieczne jest jak największe zbliżenie ich do siebie, „na przekór” odpychaniu. Gdy jądra atomowe zostaną uwięzione na małej przestrzeni, rośnie szansa, że będzie dochodzić do ich kolizji i połączenia. A w rezultacie – jak wewnątrz Słońca – że powstaną cięższe jądra i uwolni się energia.
Jak dużo można jej uzyskać tą metodą? Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (IAEA) podaje, że w reakcji fuzji uwalnia się cztery razy więcej energii niż w reakcji rozpadu jądrowego. Gram najpopularniejszego paliwa termojądrowego (mieszanki dwóch izotopów wodoru, deuteru i trytu) ma teoretycznie wystarczyć do produkcji teradżula energii. Czyli wytwarzać tyle prądu, ile mieszkaniec najbogatszych państw świata zużywa w ciągu sześciu lat. „Ocenia się, że fuzja jądrowa zaspokoi energetyczne potrzeby ludzkości na miliony lat” - można przeczytać na stronie IAEA.
Dlaczego tak trudno uzyskać fuzję na Ziemi?
Oczekiwania były więc i są ogromne. Jednak opanowanie plazmy poza Słońcem okazało się najeżone niekończącymi się trudnościami. W środowisku naukowym od dziesięcioleci znany jest ponury żart, mówiący, że „fuzja jądrowa będzie za dwadzieścia lat”. Fraza, powtarzana jeszcze w poprzednim wieku, ciągle pozostaje aktualna.
Na czym polega problem? Po pierwsze na Ziemi nie da odtworzyć się dokładnie takich samych warunków, jakie panują wewnątrz gwiazdy. Dotyczy to przede wszystkim gigantycznego ciśnienia, które w środku Słońca jest 230 mld (!) razy większe niż ciśnienie atmosferyczne na powierzchni naszej planety. To wielkości nieosiągalne dla ziemskiej nauki i inżynierii; aby więc zainicjować reakcję termojądrową w plazmie na Ziemi, trzeba ją podgrzać do temperatur o wiele wyższych niż wewnątrz Słońca.
W tokamaku ITER będzie to 150 mln st C.
Uzyskanie tego rodzaju temperatur, samo w sobie niełatwe, to dopiero pierwszy z kłopotów związanych z fuzją. Po drugie, odwrotnie niż w reakcji rozpadu jądrowego, gdzie proces trzeba hamować, tutaj trudność stanowi podtrzymanie syntezy, która łatwo wygasa. Jakby tego było mało, nagrzany do niebotycznych temperatur zjonizowany gaz ma skłonność do uciekania – trzeba więc znaleźć sposób na trwałe uwięzienie go wewnątrz urządzenia, które ma produkować energię.
- Reakcji syntezy termojądrowej nigdy nie było na Ziemi. Nie zaszła w naturalny sposób. Opanowanie syntezy jest więc od strony technicznej znacznie trudniejsze niż np. opanowanie rozszczepienia, które może zajść samoistnie. Tak się zdarzyło w tzw. naturalnym reaktorze w Oklo, czyli w złożu rud uranowych w miejscowości Oklo w Gabonie, gdzie doszło do samoczynnego rozpadu jądrowego – mówi dr hab. Ewa Pawelec, fizyczka plazmy z Uniwersytetu Opolskiego.
Co stanowi największe wyzwanie od strony naukowej? - Nigdy jeszcze nie udało się uzyskać tzw. płonącej plazmy (ang. burning plasma) – plazmy, która będzie się samopotrzymywać. Podobnie nigdy jeszcze nie udało się uzyskać więcej energii z reakcji termojądrowej niż było potrzebne do jej zainicjowania – mówi dr Pawelec.
Różne sposoby na fuzję jądrową
Przez ponad siedemdziesiąt lat prac nad fuzją wymyślono kilka sposobów, które miały rozwiązywać opisane wyżej problemy. Początkowo sądzono, że jądra atomów wodoru najlepiej „więzić” za pomocą laserów. Okazało się to tak trudne, że naukowcy pracujący nad tzw. inercyjnym uwięzieniem plazmy nie osiągali postępów przez dziesięciolecia.
Dopiero niedawno sukces ogłosili badacze używający National Ignition Facility (NIF) – ogromnego urządzenia badawczego znajdującego się w amerykańskim Lawrence Livermore National Laboratory. W zeszłym roku z pomocą laserów zajmujących powierzchnię kilku boisk do bejsbola wygenerowali 192 wiązki laserowe, które wycelowali w złoty cylinder wielkości ołówkowej gumki. Wewnątrz znajdowała się dwumilimetrowa kulka zestalonego deuteru i trytu. W serii eksperymentów udało się podgrzać ją na tyle, by doszło do fuzji. W listopadzie 2021 r. wygenerowano 1,3 megadżula energii – rekordową ilość uzyskaną tą metodą.
NIF jest jednak prototypem, któremu daleko do opanowania kontrolowanej fuzji. Podobnie można powiedzieć o metodzie rozwijanej przez firmę prywatną – australijski startup HB11 Energy. Bazując na pracach prof. Heinricha Hora z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii firma ta zamierza zderzać ze sobą bor i wodór, wykorzystując niezwykle silne, krótkie impulsy laserowe. Powstająca w reakcji energia nie jest unoszona przez neutrony (w takim przypadku, by zamieniła się w prąd, potrzeba klasycznych turbin i pary), ale – zdaniem firmy – może bezpośrednio trafiać do sieci. W marcu tego roku naukowcy z HB11 Energy ogłosili w „Applied Sciences” pracę, w której opisali, jak po raz pierwszy doprowadzili do fuzji tą metodą. „HB11 Energy jest pierwszą firmą komercyjną, która kiedykolwiek zainicjowała reakcję termojądrową” - chwaliła się spółka w informacji prasowej.
Szefowie firmy są przekonani, że są pierwsi w wyścigu do skomercjalizowania fuzji. Jednak na razie udowodnili zaledwie, że ich metoda jest co do zasady poprawna. Przed nimi budowa pierwszego eksperymentalnego reaktora. O tym, jak wiele może się jeszcze nie udać, świadczą dziesięciolecia poświęcone badaniom najpopularniejszej metody inicjowania fuzji – magnetycznego uwięzienia plazmy – oraz konstrukcji urządzeń, gdzie się ją przeprowadza – tokamaków, a także stellaratorów i sferomaków.
Fuzja zamknięta w pierścieniu
Magnetyczne uwięzienie plazmy wymaga wytworzenia niezwykle silnego pola magnetycznego, które zapobiega ucieczce plazmy. Urządzenia, w których najczęściej przebiega ten proces, czyli tokamaki, mają kształt torusów (obwarzanków z dziurą w środku). Wewnątrz nich z pomocą potężnych elektromagnesów, chłodzonych do temperatur bliskich zeru bezwzględnemu, utrzymywany jest pierścień plazmy.
Koncepcja tokamaka powstała w latach 50. XX w. w Moskwie. Od tamtej pory na całym świecie zbudowano ponad 200 takich urządzeń, z których około 50 nadal jest czynnych. Z ich pomocą naukowcy uczą się kontrolować plazmę i reakcję termojądrową, jaka w niej zachodzi. Od czasu do czasu świat obiegają informacje o kolejnych sukcesach różnych grup badawczych. W 2020 r. wewnątrz koreańskiego tokamaka KSTAR przez 20 sekund udało się utrzymać plazmę o temperaturze 100 mln st. C. W styczniu tego roku Chińczycy ogłosili, że w ich tokamaku HL-2M plazma rozgrzana do 70 mln st. C utrzymała się ponad 17 minut. Ledwie miesiąc później naukowcy z brytyjskiego tokamaka JET (największego działającego w tej chwili na świecie), ogłosili, że udało im się uzyskać rekordową produkcję energii z kontrolowanej syntezy jądrowej – 59 megadżuli. Co znamienne, poprzedni rekord, wynoszący 21,7 megadżuli, został w JET ustanowiony w 1997 r.
W JET (zarządzanym przez konsorcjum EUROfusion) naukowcy używają jako paliwa mieszanki deuteru i trytu. Taka sama mieszanka będzie stosowana w montowanym we Francji tokamaku ITER.
Jak skomplikowany jest ITER?
Skalę wyzwania, jakim jest ITER, obrazują liczby. Projekt rozpoczął się trzydzieści cztery lata temu, budowa – w 2007 r. Od 2020 r. trwa montaż urządzenia, mający zakończyć się w grudniu 2024 r. Do złożenia są miliony części, z których największa ma ważyć 900 ton, a najdłuższa mierzyć 33 metry. Cały tokamak ma ważyć 23 tys. ton (dla porównania – Wieża Eiffla waży 7,3 tys. ton). Wspomnianych na początku konwojów, którymi do Cadarache przewożone są elementy tokamaka, będzie w sumie aż 250.
Nad złożeniem urządzenia w całość pracuje ponad 2 tys. osób naraz. Jego koszt – 45 proc. finansuje Unia Europejska – szacowany jest na 18-22 mld euro.
Będzie to tym samym drugi co do ceny eksperyment, jaki kiedykolwiek podjęto na Ziemi (wyprzedza go jedynie Międzynarodowa Stacja Kosmiczna).
Wewnątrz urządzenia zostanie uwięzione rekordowe 830 metrów sześciennych plazmy - osiem razy więcej niż w JET. Zainicjowana reakcja termojądrowa będzie wytwarzać 500 MW energii, przy „wejściowych” 300 MW.
Budowa ITER wymaga bezprecedensowego wysiłku finansowego i organizacyjnego. A wszystko po to, by powstało „zaledwie” eksperymentalne urządzenie, które nigdy nie wytworzy energii dla odbiorców zewnętrznych. Dlaczego więc ITER jest tak ważny dla naukowców? I dlaczego musi być aż tak kosztowny i wielki?
- Energię tworzymy w objętości, a tracimy przez powierzchnię – tłumaczy dr Pawelec. - Jeśli powiększymy coś dwa razy, będziemy mieli cztery razy większą powierzchnię, ale osiem razy większą objętość. To oznacza, że wraz ze skalą rośnie skuteczność tokamaka – wyjaśnia ekspertka.
Dlatego właśnie ITER jest ponad dwa razy większy niż JET, a JET jest dwa razy większy od innych działających teraz tokamaków.
Przyszłość syntezy jądrowej
Co będzie po nich? Doświadczenia zebrane dzięki ITER mają pozwolić skonstruować pierwszą elektrownię termojądrową DEMO, oddającą prąd do sieci. Jednak, jak można przeczytać na stronie EUROfusion - „nie w cenie i w ilościach produkowanych przez komercyjne elektrownie”. Będzie to bowiem dopiero elektrownia demonstracyjna.
Według planów DEMO ma zacząć działać w 2050 r. Czy to realne? - Zważywszy na to, że pierwsza kampania deuterowo-trytowa w ITER jest planowana najwcześniej na 2035 r., taki termin to wyzwanie. To, czego się dowiemy dzięki ITER, będzie wpływało na to, jak będziemy budować DEMO. Uzyskanie energii termojądrowej tą drogą nie nastąpi więc szybko – mówi dr Pawelec. - Choć wierzę, że mamy szansę zdążyć z DEMO na 2050 r.
Możliwe jest też przyspieszenie prac nad fuzją. - Po pierwsze, może udać się uzyskanie fuzji w innych urządzeniach: sferomakach. Ich twórcy twierdzą, że sferomaki – w kształcie kuli z wąskim rdzeniem – mogłyby być mniejsze niż tokamaki. Rozwijaniem tej technologii zajmuje się m.in. prywatna firma Tokamak Energy – opowiada dr. Pawelec. - Druga możliwość to zmiana podejścia. ITER buduje kilkanaście krajów, w tym Rosja, co powoduje teraz liczne problemy. Niektórzy uważają, że będzie łatwiej, jeśli za budowę tokamaka zabierze się tylko jeden kraj. Oczywiście wszyscy stawiają na Chiny, które chwalą się, że zamierzają jak najszybciej mieć odpowiednik ITER i odpowiednik DEMO. Jednak większość moich europejskich kolegów komentuje to następująco: uwierzę, jak zobaczę – mówi ekspertka.
Co więc pozostaje nam w obliczu wyzwania, jakim jest katastrofa klimatyczna? Czy powinniśmy – bojąc się elektrowni jądrowych – zrezygnować z ich budowania i utrzymywania, a zamiast tego zacisnąć pasa i doczekać pojawienia się elektrowni termojądrowych? - Absolutnie nie! - zaprzecza dr. Pawelec. - Nie ma się co bać rozszczepiania atomu. Elektrownia jądrowa ogólnie sprawia znacznie mniej problemów zdrowotnych niż każda inna – i to włączając w to bardzo chwaloną energię hydroelektryczną. Wszyscy wiedzą o Czarnobylu i Fukushimie, ale ile osób słyszało o zerwaniu tamy Banqiao w Chinach w 1975 r., gdzie zginęły setki tysięcy ludzi? To była największa pojedyncza tragedia w dziedzinie energetyki. A w przeliczeniu ilości zgonów na produkowany gigawat energii na pierwszym miejscu znajduje się węgiel – dodaje.
- Energetyka jądrowa to jedyne, co w tej chwili mamy - podsumowuje ekspertka. - I powinniśmy z tego korzystać.
Źródła:
Praca Rutherforda z 1934 r.:
https://www.chemteam.info/Chem-History/Rutherford-1934b/Rutherford-1934b.html
Fuzja jako dominujący stan materii:
Ilość energii z fuzji:
Rekordy tokamaków
Chiński rekord
NIF
HB11 Energy
Komentarze