Nauka

Słońce na Ziemi

Jedno źródło energii dla całego świata? Jesteśmy blisko

Wnętrze stellaratora w Instytucie Fizyki Plazmy Maxa Plancka w Greifswaldzie. Etap montażu niedługo przed zamknięciem komory. Poza komorą widać też cewki magnesów i zewnętrzny płaszcz. Wnętrze stellaratora w Instytucie Fizyki Plazmy Maxa Plancka w Greifswaldzie. Etap montażu niedługo przed zamknięciem komory. Poza komorą widać też cewki magnesów i zewnętrzny płaszcz. Anja Ullmann/IPP
Litr morskiej wody i odrobina litu mogą zapewnić energię gospodarstwu domowemu przez rok. Fantastyka? Już niemal rzeczywistość.
Stellarator jest pięciokrotnie skręconym torusem (obwarzankiem). Niebieskie obręcze to specjalnie uformowane cewki magnetyczne.IPP Stellarator jest pięciokrotnie skręconym torusem (obwarzankiem). Niebieskie obręcze to specjalnie uformowane cewki magnetyczne.
Wendelstein 7-X składa się z miliona cześci i waży ponad 700 ton.Anja Ullmann/IPP/Archiwum Wendelstein 7-X składa się z miliona cześci i waży ponad 700 ton.

[Tekst ukazał się w POLITYCE 1 lipca 2014 roku]

Synteza termojądrowa – reakcja łączenia jąder atomów najlżejszego pierwiastka, czyli wodoru, w wyniku czego powstają atomy cięższego pierwiastka, czyli helu – jest podstawą istnienia gwiazd, także Słońca. Wielka temperatura panująca w ich wnętrzach uruchamia proces łączenia jąder wodoru, przy czym towarzyszące temu potężne ciśnienie próbuje ujść na zewnątrz gwiazdy, jest jednak powstrzymywane jej grawitacją. To daje gwieździe równowagę, dzięki której istnieje i w której może dochodzić do łączenia oraz przemiany kolejnych pierwiastków z tablicy Mendelejewa. Tak powstaje hel, węgiel, następnie tlen, a potem azot i kolejne coraz cięższe pierwiastki – aż do żelaza. Oto tajemnica stworzenia.

Synteza jest łączeniem. Wymaga ogromnych energii kinetycznych cząstek, by zmusić zjonizowane, a więc naładowane dodatnio, jądra wodoru do fuzji – ale w rezultacie powstaje cięższy hel oraz wysokoenergetyczne cząstki (neutrony oraz cząstki alfa w przypadku syntezy deuter-tryt), z których można pozyskać ogromne ilości ciepła. Przebiegająca w sposób niekontrolowany reakcja jest podstawą działania bomby wodorowej – o wiele potężniejszej od bomby atomowej. Dziś wyzwaniem jest uzyskanie kontroli nad procesem syntezy jądrowej.

Tokamak: niezwykła idea

Na początku lat 50. XX w. dwaj fizycy radzieccy Igor Tamm i Andriej Sacharow, zaangażowani w prace nad budową radzieckiej bomby wodorowej, wpadli na pomysł, by reakcję syntezy jądrowej zastosować do produkcji energii. Uczeni zaproponowali projekt tokamaka – urządzenia, w którym synteza termojądrowa mogłaby być wykorzystana w sposób kontrolowany i tym samym otworzyć dostęp do nieograniczonego, niezwykle wydajnego i stosunkowo bezpiecznego źródła energii.

Tokamak to komora w kształcie torusa (obwarzanka), w którym plazma (a więc zjonizowana mieszanina np. izotopów wodoru, deuteru i trytu) utrzymywana jest polami magnetycznymi, zapewniającymi izolację gorącej materii od ścian komory, by się nie ochłodziła i nie wygasła. Okazało się, że do fuzji termojądrowej łatwiej doprowadzić, łącząc ze sobą nie atomy zwykłego wodoru (protu), lecz jego cięższych izotopów – a więc deuteru otrzymywanego z wody oraz trytu otrzymywanego z litu, który powszechnie występuje w skałach ziemskich. Tokamaki zaczęto budować i badać w ZSRR w drugiej połowie lat 50. XX w. A potem w wielu innych krajach.

Szybko się okazało, że utrzymanie plazmy w stabilnym stanie i podgrzanie jej do temperatury kilkudziesięciu lub nawet 100 mln stopni, by mogło dojść do syntezy termojądrowej, nie jest łatwym zadaniem. W tokamakach głównym źródłem energii jest przepływający przez plazmę prąd elektryczny o bardzo wysokim natężeniu, sięgającym milionów amperów. W efekcie urządzenia te wytwarzają supergorącą plazmę w sposób impulsowy, a nie ciągły. Do dzisiaj problemy te nie zostały w pełni rozwiązane, mimo że we Francji wysiłkiem wielu państw – w tym Unii Europejskiej – powstaje ITER, gigantyczny eksperymentalny reaktor termojądrowy typu tokamak. To w nim, zdaniem uczonych, ma dojść za jakiś czas do pierwszej kontrolowanej i wydajnej reakcji termojądrowej.

Stellarator: gwiezdna ósemka

Nieco inny pomysł na uwięzienie plazmy w magnetycznej pułapce (by potem doprowadzić w niej do reakcji syntezy) miał amerykański fizyk plazmy Lyman Spitzer z Princeton Plasma Physics Laboratory, który w latach 50. XX w. zaproponował rozwiązanie zwane stellaratorem (od stellar, czyli gwiezdny). Spitzer najpierw rozciągnął nieco kształt torusa, po czym skręcił go, tworząc coś w rodzaju położonej ósemki. Chodziło o osiągnięcie takiego kształtu komory, by plazma stabilizowała się w niej sama, bez płynącego w niej prądu. Potem pomysł ten został udoskonalony: komora stellaratora – po przywróceniu jej kształtu torusa – została kilkukrotnie skręcona dookoła osi biegnącej wzdłuż obiektu, ale tak, by strumień plazmy nie przecinał się w żadnym miejscu.

Stellaratory były popularne w badaniach kontrolowanej fuzji termojądrowej w latach 50. i 60. ubiegłego wieku, jednak znacznie lepsze rezultaty uzyskiwane w tokamakach spowodowały, że ograniczono nad nimi badania. Występujący wciąż – i póki co nieusuwalny – problem z impulsowym trybem pracy tokamaka, jak również rosnąca moc obliczeniowa komputerów spowodowały, że w latach 90. odżyło zainteresowanie stellaratorami. Obecnie koncepcja stellaratora jest traktowana jako drugie, niezależne od tokamaków, ale równie ważne rozwiązanie. I tak narodził się pomysł zbudowania potężnego urządzenia w Instytucie Fizyki Plazmy Maxa Plancka w Greifswaldzie w Niemczech.

Król Wendelstein 7-X

Niedawno świat obiegła informacja, że największy stellarator świata jest gotowy. Nazywa się Wendelstein 7-X i kosztował ok. 400 mln euro. Powstawał ponad 15 lat, składa się z ponad miliona części i wygląda jak jakaś pozaziemska instalacja, służąca bardzo tajemniczym celom, zrzucona do Greifswaldu przez obcą cywilizację.

Stellarator ma średnicę 16 m, a jego sercem jest stalowa komora próżniowa, w której plazma ma być podgrzewana do ok. 100 mln stopni. Komora ma kształt torusa, tyle że skręconego pięciokrotnie. Gdyby przeciąć samochodową dętkę w jednym miejscu, a następnie jeden jej koniec unieruchomić, drugi zaś przekręcić pięć razy, a potem oba końce skleić, powstałby podobny kształt. Całą komorę oplatają potężne cewki magnesów – jest ich w sumie 70, z czego 50 ma kształt dokładnie dopasowany do krzywizn komory. Każdy z tych magnesów waży ok. 6 ton. Obleka je płaszcz próżniowy.

Ponieważ cewki zostaną schłodzone przez ciekły hel do temperatury bliskiej zera bezwzględnego – staną się wówczas nadprzewodzące i będą mogły utrzymywać pole magnetyczne, praktycznie nie zużywając energii elektrycznej – muszą działać w próżni; bez niej w tak niskiej temperaturze wszystko natychmiast by zamarzło. Całość przykrywa jeszcze zewnętrzna powłoka, w której umieszczono tysiące czujników, detektorów i terminali rozmaitych systemów monitorowania, analizowania i kontroli. Wszystko to waży 725 ton.

Wstrzyknięty do próżniowej komory Wendelsteina 7-X wodór lub deuter – o gęstości 10 tys. razy niższej niż gęstość powietrza – zostanie najpierw ogrzany silną wiązką mikrofali o mocy 10 MW, a następnie dodatkowo strumieniem neutralnych cząstek (pozbawionych ładunku atomów wodoru lub deuteru) o podobnej mocy. Oplatające komorę cewki magnesów wytworzą pole magnetyczne o indukcji 3 tesli (100 tys. razy silniejsze od ziemskiego pola magnetycznego), które utrzyma plazmę w odpowiednim skupieniu, czyli ustabilizuje ją, nie dopuszczając, by ta – rozgrzana do temperatury 100 mln stopni – zetknęła się ze ścianami komory. Gdyby tak się stało, reakcja termojądrowa nie mogłaby być kontynuowana (plazma wygasa natychmiast po kontakcie z „obcym” materiałem), poza tym komora mogłaby zostać uszkodzona w miejscu kontaktu z gorącą plazmą. Stellarator, w przeciwieństwie do tokamaka, może podtrzymywać warunki konieczne dla reakcji termojądrowej w sposób ciągły – na przykład przez pół godziny, co ma właśnie zademonstrować Wendel­stein 7-X – a nie impulsowy. To jego główna przewaga i zaleta.

W stellaratorze – wyjaśnia dr Maciej Krychowiak, polski fizyk na stałe pracujący w instytucie w Greifswaldzie – symulujemy warunki istniejące wewnątrz gwiazdy, na przykład wewnątrz Słońca. Ale musimy mieć znacznie wyższe temperatury niż te panujące w Słońcu. Tam sięgają one kilkunastu milionów stopni, my planujemy 100 mln stopni. To dlatego, że Słońce jest ogromne i może podtrzymywać reakcję syntezy z małą wydajnością. Wydajność przyszłego reaktora, ze względu na jego rozmiary, musi być znacznie wyższa.

Tania energia

Zjawiska kontrolowanej reakcji syntezy termojądrowej nie da się obecnie dokładnie przewidzieć i obliczyć. Stąd potrzebne są urządzenia eksperymentalne (tokamaki lub stellaratory), w których przez lata będą prowadzone skomplikowane doświadczenia, a potem analizowane krok po kroku, i to, być może, w przyszłości pozwoli stworzyć pierwszą prototypową instalację energetyczną. Trzeba jednak ogromu pracy, wielkich pieniędzy i wielu lat, by ten cel osiągnąć.

Prof. Robert Wolf, jeden z dyrektorów Instytutu Fizyki Plazmy w Grefswaldzie, mówi: – Teraz gdy urządzenie jest gotowe, zaczniemy wytwarzać w jego komorze plazmowej próżnię. Gdy to osiągniemy, zaczniemy powoli uruchamiać i testować system cewek magnetycznych. To potrwa jakiś czas, ponieważ pośpiech jest tu bardzo niewskazany. Następnie przetestujemy system grzania plazmy i chłodzenia całości. Myślę, że pierwsza plazma zapłonie w urządzeniu dopiero za rok. Wtedy zaczną się wstępne testy całego stellaratora.

Wydaje się jednak, że ta kosztowna i pracochłonna gra jest warta zachodu. Wydajność energetyczna reakcji syntezy termojądrowej nie ma sobie równych. Synteza mieszaniny deuteru i trytu, uzyskanej z 40 litrów morskiej wody (dającej deuter) i 5 gramów litu (dającego tryt), jest równoważna energetycznie spaleniu 40 ton węgla. 40 litrów wody to nie jest dużo, a 5 g litu znajduje się w typowej baterii laptopa. Niezły wynik.

Poza tym surowiec jest dostępny w każdych ilościach (deuteru i litu mamy na Ziemi pod dostatkiem), reakcja syntezy jest czysta i bezpieczna (reaktor w sytuacji awaryjnej po prostu się wyłącza, nie trzeba go specjalnie chłodzić i neutralizować). Problem tylko w tym, że reakcję tę trzeba opanować i doprowadzić do tego, by energia włożona w jej zainicjowanie była mniejsza od energii uzyskanej.

Kontrolowana synteza jądrowa usunęłaby problemy energetyczne świata na zawsze. Energia stałaby się w końcu powszechnie dostępna za niewielką cenę, a oparte na syntezie siłownie zastąpiłyby wszystkie inne źródła energii. Jest więc o co walczyć i cieszy, że w zmaganiach tych aktywnie uczestniczy Polska. Podczas uroczystości inauguracji stellaratora w Instytucie Fizyki Plazmy w Greifswaldzie Polaków niemal noszono na rękach. W trakcie wszystkich publicznych wystąpień, ale też w rozmowach mniej oficjalnych i prywatnych, Niemcy na każdym kroku podkreślali znaczenie udziału polskich uczonych, polskich instytutów badawczych i firm w projekcie. Uczestniczą w nim od 2006 r. i pojawili się w kluczowym momencie, kiedy przedsięwzięcie ze względów finansowych wisiało na włosku.

Problemy szczęśliwie udało się przezwyciężyć i projekt znów szybko ruszył do przodu. Największy wkład w budowę stellaratora Wendelstein 7-X ze strony polskiej mają: Instytut Fizyki Jądrowej PAN z Krakowa, Narodowe Centrum Badań Jądrowych z Warszawy (Świerku), Politechnika Warszawska, Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy z Warszawy oraz Uniwersytet Opolski. W pracach uczestniczyło też kilka prywatnych polskich firm. Jest więc szansa, że i my będziemy mieli swój kawałek Słońca na Ziemi.

Polityka 27.2014 (2965) z dnia 01.07.2014; Nauka ; s. 62
Oryginalny tytuł tekstu: "Słońce na Ziemi"
Więcej na ten temat
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Fotoreportaże

Urok małych liczb. Najlepsze polskie apartamentowce

Zamiast balkonów na długość stopy i niedoświetlonych parapetów są szerokie tarasy i wielkie okna, zamiast anonimowości – przestrzenie, które sprzyjają spotkaniom z sąsiadami. Najlepsze polskie apartamentowce mają mało mieszkań, wyjątkową architekturę i położenie. Niestety, kameralne wciąż znaczy rzadkie i ekskluzywne.

Marta Polny
28.09.2021
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną