Jedno źródło energii dla całego świata? Jesteśmy blisko

Słońce na Ziemi
Litr morskiej wody i odrobina litu mogą zapewnić energię gospodarstwu domowemu przez rok. Fantastyka? Już niemal rzeczywistość.
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

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.

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.

Czytaj także

Aktualności, komentarze

W nowej POLITYCE

Zobacz pełny spis treści »

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj