Bierzmy przykład z gwiazd. Świat czeka na elektrownie termojądrowe

Z jednego grama mieszaniny deuteru i trytu, w której dojdzie do zapłonu termojądrowego i w rezultacie do reakcji syntezy, otrzymamy energię równą spaleniu kilkunastu ton węgla. Gra toczy się o kontrolowanie tej reakcji. Stawka jest naprawdę wysoka.

Międzynarodowy zespół naukowców, pracujący przy największym działającym obecnie tokamaku JET (Joint European Torus) niedaleko Oxfordu w Wielkiej Brytanii, poinformował niedawno o rekordowej energii 59 megadżuli osiągniętej w czasie fuzji deuteru i trytu trwającej 5 sekund. Tokamak to rodzaj reaktora termojądrowego. W głośnym eksperymencie z 1997 r., też w JET, przeprowadzono trwającą 3 sek. reakcję syntezy deuteru i trytu, w wyniku której otrzymana energia wyniosła 22 megadżuli, a moc – 4,4 megawata. Obecnie fizykom plazmy z JET udało się uzyskać energię 59 MJ i moc 11 megawatów. To zatem nowy rekord.

Chociaż bilans energii dostarczonej i uzyskanej w tym najnowszym eksperymencie nadal nie jest dodatni (dostarczona energia wciąż jeszcze przewyższa uzyskaną), ten wynik będzie miał wielkie znaczenie dla budowanego i finalizowanego już, we Francji, gigantycznego reaktora termojądrowego ITER. Ale zacznijmy od początku.

Drugie wynalezienie ognia

W 1920 r. wielki angielski fizyk - sir Arthur Eddington jako pierwszy wysunął tezę, że wszystkie gwiazdy w kosmosie żyją w podobny sposób. Podstawowy mechanizm, który pozwala im płonąć miliony, a nawet miliardy lat oraz doznawać jądrowych przeobrażeń – czyli przemiany wodoru w cięższy hel, helu w cięższy węgiel, a potem azot i tlen i dalej, aż do żelaza – polega na łączeniu, czyli syntezie jąder pierwiastków. Żeby jądra mogły się łączyć, potrzebne są gigantyczne temperatury, czyli wielka energia kinetyczna cząstek, oraz czas. W wyniku działania ogromnych temperatur we wnętrzach gwiazd zachodzą reakcje syntezy, a to powoduje powstanie ciśnienia dążącego do ich rozerwania. Ciśnienie to jest jednak skutecznie powstrzymywane ich grawitacją; w rezultacie obie siły: ciśnienia i grawitacji, równoważą się i pozwalają gwiazdom osiągać stabilność i równowagę, która chroni je przed zapaścią grawitacyjną z jednej strony i przed rozsadzeniem z drugiej. Dzięki temu mechanizmowi istnieje też nasze Słońce.

W 1934 r. przypuszczenia Eddingtona potwierdził po raz pierwszy Ernest Rutherford dla reakcji łączenia jąder deuteru (D+D), czyli izotopu wodoru. Niedługo potem, w latach 40., Hans Bethe wyznaczył dokładnie, jak przebiegają reakcje termojądrowe prowadzące w gwiazdach do przemiany wodoru w hel, tworząc tzw. cykl Bethego, zwany inaczej cyklem protonowym. Bethe prześledził, jak kształtuje się ta reakcja i opisał ją, za co otrzymał Nagrodę Nobla. Wkrótce, na początku lat 50., w USA, ZSRR i w Anglii pojawiły się więc pierwsze pomysły, by spróbować energię syntezy, jaka zachodzi w gwiazdach, wykorzystać nie tylko do udanej konstrukcji bomby wodorowej – znacznie potężniejszej od bomby atomowej – ale też do pozyskiwania energii.

Okazało się wówczas, że przynajmniej teoretycznie jest to możliwe i że najłatwiej w warunkach ziemskich doprowadzić do zapłonu termojądrowego, łącząc nie jądra samego wodoru – czyli protony – lecz jądra izotopów tego pierwiastka, czyli deuteru i trytu (D+T). W tym przypadku dla możliwych do uzyskania ciśnień energia potrzebna do zainicjowania syntezy, czyli trwałego połączenia jąder, jest najmniejsza. Reakcja D+T prowadzi do wytworzenia cząstek alfa (jąder atomu helu) oraz neutronów i uwolnienia ogromnej ilości ciepła pod postacią energii kinetycznej tych cząstek. Synteza kilograma mieszaniny D+T prowadzi do uzyskania energii 10 do 8 kWh (kilowatogodziny). To niezwykła wydajność. Inaczej: np. synteza mieszaniny deuteru, otrzymanego z 40 litrów wody morskiej, oraz trytu otrzymanego z pięciu gramów litu jest energetycznie równoważna spaleniu 40 ton węgla.

150 mln stopni

W 1955 r. amerykański fizyk John Lawson stworzył kryterium nazwane od jego nazwiska opisujące koncentrację plazmy, a także to, jaką musi mieć ona temperaturę i jak długo w odpowiednim stanie istnieć, by w ogóle mogło do syntezy dojść. Kryterium Lawsona to iloczyn tych trzech wartości, który dla plazmy deuterowo-trytowej powinien być wyższy niż 10 do 21 kiloelektronowolta w jednej sekundzie na 1 m sześc. Wynika z tego, że optymalna temperatura plazmy w reaktorze powinna wynosić ok. 150 mln st. To wielokroć więcej niż temperatura panująca w jądrze Słońca.

Badania kontrolowanej reakcji syntezy szybko stały się ważne, ponieważ dają ludzkości perspektywę opanowania eksploatacji niezwykle wydajnego, czystego i bezpiecznego źródła energii. Deuteru – pod postacią ciężkiej wody otrzymywanej ze zwykłej wody morskiej – mamy na Ziemi niemal nieograniczone ilości. Tryt, który jest izotopem radioaktywnym o dość krótkim okresie połowicznego rozpadu – 12,3 lat – można otrzymywać przez bombardowanie neutronami litu, a lit z kolei powszechnie występuje w skałach ziemskich. Uczeni wciąż syntezę termojądrową próbują okiełznać i chociaż na pewno zajmie to jeszcze sporo czasu, to dzisiaj są już zdecydowanie bliżej celu niż jeszcze 20 lat temu.

Kontrolowana synteza termojądrowa byłaby dla nas zbawienna, ponieważ raz na zawsze uniezależniłaby ludzkość od problemów energetycznych. Na zawsze. Ujarzmiona reakcja syntezy to niewyczerpane źródło taniej i bezpiecznej energii; poza tym sama ta reakcja jest czysta, produkuje bardzo małe ilości odpadów radioaktywnych, bezpieczna – o wiele łatwiej ją przerwać niż jądrową reakcję łańcuchową w klasycznych elektrowniach atomowych – i wręcz niewyobrażalnie wydajna.

Problem w tym, że wciąż nie potrafimy realizować kontrolowanej reakcji syntezy z dużą efektywnością w odpowiednim czasie tak, aby energia uzyskana przewyższała tę dostarczaną do reaktora termojądrowego. Umiemy inicjować reakcje termojądrowe w laboratoriach, ale ogromnym energetycznym nakładem, który przewyższa znacznie energię uzyskaną z tej reakcji. Tymczasem aby tworzyć siłownie termojądrowe, proporcje te trzeba odwrócić. Czyli uzyskać więcej, niż się włożyło.

Temu wyzwaniu próbuje sprostać wiele instytutów i ośrodków naukowych na całym świecie, i to od wielu lat. To jedne z najdroższych i najbardziej zaawansowanych badań fizycznych w historii.

Ale dętka

Idea tokamaków zrodziła się w ZSRR na początku lat 50. Teoretycznie koncepcję tokamaka opracowało dwóch słynnych fizyków radzieckich zaangażowanych zresztą w budowę ichniejszej bomby wodorowej: Igor Tamm i Andriej Sacharow. Podstawy techniczne tokamaka stworzył zaś Lew Artymowicz. Pierwszy tokamak powstał w Instytucie Kurczatowa w Moskwie w 1956 r. W 1970 r. było na świecie pięć tokamaków, w 1976 – już 50. Dzisiaj większość fizyków plazmy zajmujących się fuzją jądrową uważa, że to te urządzenia dadzą nam możliwość kontrolowania tej reakcji, a potem stworzenia pierwszych elektrowni termojądrowych.

Tokamak (skrót od rosyjskiej nazwy toroidalnaja kamiera z magnitnymi katuszkami) to torus, czyli coś, co ma kształt samochodowej dętki lub obwarzanka. To główna część, do której wstrzykuje się paliwo (mieszaninę deuteru i trytu). W centrum torusa znajduje się rdzeń potężnego transformatora, na którym nawinięte jest pierwotne uzwojenie indukujące prąd płynący dookoła torusa. Prąd ten powoduje bardzo silne ogrzanie oraz jonizację deutorowo-trytowej mieszanki. Powstaje z niej plazma. Istnieją jeszcze cewki umieszczone wokół przekroju torusa, które kształtują pole magnetyczne wewnątrz w ten sposób, że naładowane cząsteczki plazmy zmuszone są do ruchu okrężnego wokół przekroju tokamaka. Wypadkowe pole magnetyczne – wygląda ono jak skręcony w wielu miejscach i wijący się wąż – powoduje, że cząstki plazmy nie rozpraszają się i są utrzymywane z dala od ścian torusa.

To istotne, gdyż kontakt plazmy ze ścianą wywołuje emisję zanieczyszczeń, a co za tym idzie, jej schłodzenie i w rezultacie zerwanie tzw. sznura plazmowego. W pracy tokamaka najważniejsze jest właśnie odpowiednie utrzymanie plazmy. Ponadto przy możliwej do uzyskania gęstości musi ona mieć stałą odpowiednią temperaturę rzędu 100 lub więcej mln stopni. By ją osiągnąć, poza ogrzewaniem omowym plazmy, które wynika z przepływu prądu, stosuje się dodatkowe źródła: mikrofalowe, wiązkami rozpędzonych cząstek neutralnych oraz falami radiowymi.

ITER i nie tylko

By opanować w końcu reakcję syntezy termojądrowej, w miejscowości Cadarache na południu Francji od 2013 r. powstaje ogromny prototypowy reaktor fuzyjny typu tokamak o nazwie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), budowany w ramach światowego projektu też nazwanego ITER. Budowa, w której uczestniczy wiele państw, będzie kosztowała kilkanaście, może nawet 20 miliardów euro. To najdroższy eksperyment świata, największe przedsięwzięcie naukowe i technologiczne w ogóle, przewyższające rozmachem i kosztami budowę Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). ITER ma być gotowy w 2025 r. Zakłada się, że to w nim po raz pierwszy będzie można, po jakimś czasie, pewnie lat, przeprowadzić wydajną reakcję syntezy, w której uzyskana energia będzie większa od energii dostarczonej do plazmy. Żeby tak się stało, tokamak musi mieć odpowiednie rozmiary. Znawcy uważają, że syntezę termojądrową można okiełznać tylko wtedy, gdy reaktor będzie odpowiednio duży. ITER będzie duży: teren potrzebny do jego uruchomienia to 42 ha, a sam reaktor będzie ważył 23 tys. ton. Nie ma wytwarzać elektryczności, jego zadaniem jest jedynie ostateczne potwierdzenie, że kontrolowana reakcja syntezy termojądrowej jest możliwa i że da się ją wykorzystać kiedyś do produkcji energii. To instalacja eksperymentalna.

Ale poza eksperymentami w próbnych reaktorach termojądrowych typu tokamak, w wielu miejscach na świecie prowadzi się zaawansowane badania nad kontrolowaną fuzją przy użyciu innych urządzeń. Dość rozwinięta jest np. technologia tzw. laserowej mikrosyntezy, w której miniaturowe mieszaniny deuteru i trytu umieszczane w specjalnych – złotych lub uranowych – kapsułach wielkości ziarna grochu są podgrzewane do ogromnych temperatur za pomocą wielu laserów. W tej dziedzinie przodującym ośrodkiem badawczym na świecie jest obecnie NIF, czyli National Ignition Facility, laboratorium działające w Lavrence Livermore National Laboratory w Kalifornii. Tamtejsi uczeni już kilkakroć donosili o znaczących osiągnięciach. Tego typu badania od wielu lat prowadzą też fizycy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie. Duże osiągnięcia w badaniach nad kontrolowaną fuzją mają Niemcy. W Instytucie Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka w Greifswald w północnych Niemczech, działa największy stellarator świata – Wendelstein 7-X.

Stellaratory to też eksperymentalne reaktory termojądrowe (ich nazwa bierze się od angielskiego słowa „stellar”, czyli „gwiezdny”), tyle że istotnie różniące się od tokamaków. Zresztą zostały wymyślone nawet wcześniej niż radzieckie tokamaki, w USA przez amerykańskiego fizyka i astrofizyka Lymana Spitzera. W procesie podgrzewania plazmy nie używa się w nich prądu, lecz przede wszystkim mikrofale. Inna i znacznie bardziej skomplikowana, mocno poskręcana, jest też budowa komory reaktora, w której następuje podgrzewanie plazmy, utrzymywanej w pożądanym stanie przez potężne nadprzewodzące magnesy. Ponieważ stellaratory nie grzeją plazmy prądowo, mogą działać w systemie pracy ciągłej – w przeciwieństwie do tokamaków, w których podgrzewanie plazmy ma zawsze tryb impulsowy. To spore ułatwienie. Niemiecki Wendelstein 7-X jest obecnie najbardziej zaawansowanym i największym reaktorem tego typu.

***

Opanowanie reakcji syntezy termojądrowej staje się ważnym tematem co kilka lat, gdy w jakimś laboratorium czy reaktorze udaje się dokonać kolejnego kroku naprzód i uzyskać nowy rekord w relacji energii włożonej w zainicjowanie fuzji do energii uzyskanej z niej. Ale krytycznej granicy wciąż osiągnąć się nie udaje. Dzisiaj wiadomo już jednak, że osiągnięcie głównego celu: kontroli i stabilizacji fuzji termojądrowej jest realne i kiedyś ta reakcja zostanie w końcu opanowana. Tak raczej będzie. Pytanie: kiedy? Na to obecnie nikt jeszcze nie jest w stanie precyzyjnie odpowiedzieć. Jeszcze dzisiaj nie, ale kiedyś – tak.