Koreańskie sztuczne Słońce wschodzi coraz wyżej

Kontrolowana fuzja jądrowa może w przyszłości stać się nieograniczonym źródłem czystej energii. Międzynarodowym wysiłkiem naukowców i przy ogromnym finansowym wsparciu czynione są kolejne kroki w rozwoju tej technologii. Ostatnio za sprawą koreańskiego reaktora KSTAR.

Energia to fundament cywilizacji. Niestety sposób jej pozyskiwania bywa dalece problematyczny. Spalanie to jedna z najstarszych technologii ludzkości, ale współcześnie nastręcza coraz większych problemów. Z jednej strony destabilizuje klimat i tym samym zagraża przyszłości człowieka na planecie, z drugiej – prowadzi do emisji związków, które mają szkodliwy wpływ na zdrowie. W czasach wojny w Ukrainie nie trzeba też chyba tłumaczyć, że wykorzystywanie takich surowców jak ropa, węgiel i gaz uzależnia jedne kraje od innych, co jest wysoce niebezpieczne.

Na co jednak zamienić procesy spalania? Odnawialne źródła, takie jak fotowoltaika czy elektrownie wiatrowe, dają pewną niezależność, ale koszt produkowania przez nie energii jest wysoki, a wydajność zależy od warunków atmosferycznych. Pod tym względem energia atomowa jest dużo korzystniejsza. Problem w tym, że rodzi społeczny opór wzmacniany katastroficznymi filmami inspirowanymi wydarzeniami w Czarnobylu czy Fukuszimie. Jeżeli jednak chcemy myśleć perspektywicznie, musimy inwestować, i to sporo, w nowe rozwiązania. Najlepiej w rozwój energetyki wykorzystującej fuzję jądrową.

Fuzja jądrowa – ujarzmić gwiezdną moc

Reakcja termojądrowa, zwana też fuzją jądrową, to proces, w którym lżejsze jądra atomowe łączą się w jedno cięższe, czemu towarzyszy uwolnienie energii. To ten proces jest głównym zasilaczem gwiazd. Na Słońcu odpowiada za przemianę wodoru w hel. Wydajność takiej reakcji jest ogromna, bo 1 kg wodoru dostarczonego do fuzji jądrowej dostarcza tyle energii co... 100 mln kg paliw kopalnych. Bez emisji dwutlenku węgla.

Imponujące? Sztuka polega na tym, by fuzję jądrową ujarzmić i przeprowadzać w kontrolowanych warunkach odpowiednio zaprojektowanych reaktorów. Paliwem w nich jest najczęściej deuter i tryt, dwa izotopy wodoru. Źródłem pierwszego jest woda morska. Z 1 m sześc. pozyskać można niskim kosztem 30 g deuteru. Z kolei tryt otrzymuje się poprzez bombardowanie neutronami litu, który jest składnikiem skorupy ziemskiej. Ziemskie zasoby litu wynoszą ok. 12 mln ton. Szacuje się, że 100 kg deuteru i kilka ton litu wystarczyłoby do zaspokojenia rocznych potrzeb elektrowni termojądrowej o mocy 1 GW. Paliwa więc nie powinno nam zabraknąć. Co więcej, kontrolowana fuzja jądrowa jest krótsza niż ta na Słońcu, bo pomija zachodzącą na nim reakcję przemiany z udziałem oddziaływania jądrowego słabego, w której wodór zostaje przekształcony w deuter. Docelowo reaktory fuzyjne mogą być więc wydajniejsze niż gwiazdy.

Tony żelastwa, tysiące kilometrów przewodów

Zaawansowane urządzenia do przeprowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej nazywane są tokamakami. Najbardziej znany jest budowany we Francji w ramach projektu ITER, wzorowany na brytyjskim JET. W jego rozwój zaangażowane jest niemal pół świata, w tym Polska. By zbudować tylko jego podstawę, wykorzystano 7,5 tys. ton stali, a cały tokamak waży 23 tys. ton. Niezbędne okablowanie ma długość ok. 100 tys. km. To 145 razy więcej niż rozpiętość Polski w wymiarze wschód–zachód.

Na czym polega przewaga fuzji termojądrowej nad energetyką atomową? Podczas gdy w tradycyjnej elektrowni atomowej rozszczepienie 1 g ciężkich pierwiastków takich jak uran czy pluton odpowiada energii pozyskanej ze spalenia ok. 2,5 ton węgla, w trakcie fuzji termojądrowej z masy 1 g paliwa można uzyskać aż czterokrotnie więcej. Produkowane odpady stanowią mniej niż jedną setną odpadów wytwarzanych przez energetykę atomową. Nie są też wytwarzane izotopy radioaktywne o długim czasie rozpadu. Wreszcie ilość paliwa dostarczanego każdorazowo do reaktora jest niewielka, dzięki czemu nie ma możliwości zajścia niekontrolowanej reakcji i zagrożenia nieprzewidzianą katastrofą. Wszystko to brzmi niezwykle obiecująco: powinno być wydajnie, czysto i bezpiecznie.

Gorąca plazma studzi entuzjazm

W czym więc problem? Nie w czysto naukowym aspekcie, gdyż prawa fizyki rządzące reakcją termojądrową są dobrze znane. Ma wymiar technologiczny. By w tokamaku zachodził pożądany proces fuzji, konieczne są zawrotne temperatury plazmy, w zakresie 100–150 mln st. C. Tylko wtedy jądra, które mają ulec złączeniu, osiągają wysoką energię kinetyczną. Plazmę trzeba też okiełznać za pomocą silnego pola magnetycznego, tak by nie dotknęła ścian reaktora, bo to doprowadziłoby do jego uszkodzenia.

Problem w tym, że gorąca plazma ma tendencję do rozszerzania się. Do jej stabilizacji potrzeba potężnego elektromagnesu. Ten, którego używa ITER, jest najsilniejszy na świecie. Kolejnym wyzwaniem jest możliwość prowadzenia reakcji przez dłuższy czas, a także uzyskanie dodatniego bilansu energetycznego. Wspomniany ITER jest tak zaprojektowany, aby docelowo można było uzyskać ilość energii dziesięciokrotnie przekraczającą dostarczone ciepło. Na razie rekordowe osiągnięcie tokamaka JET, w którym uzyskano 16 MW mocy fuzyjnej z dostarczonych do niego 24 MW mocy cieplnej, jest dalekie od zadowalającego.

Koreańskie sztuczne Słońce

Co jakiś czas słychać jednak o sukcesach w pracach nad kontrolowaną fuzją jądrową. Swoje osiągnięcia ma pod tym względem koreański tokamak powstały w ramach projektu KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research). W 2018 r. udało się w nim wytworzyć plazmę o temperaturze 100 mln st. C i utrzymać ją przez... 1,5 s. By mieć wyobrażenie skali uzyskanego zjawiska, warto uzmysłowić sobie, że temperatura jądra Słońca, najgorętszej części gwiazdy, to „zaledwie” 15 mln st. C.

Dwa lata później w KSTAR udało się utrzymać plazmę już przez 20 s. A jak wynika z doniesień opublikowanych na łamach „Nature”, niedawno udało się wydłużyć ten czas do pół minuty. Celem naukowców pracujących przy reaktorze jest takie usprawnienie technologii, by do 2025 r. czas wydłużył się dziesięciokrotnie. Kluczowe do tego jest skuteczne powstrzymywanie plazmy od dotknięcia ścian reaktora, bo to powoduje jej gwałtowne ochłodzenie, a jednocześnie grozi uszkodzeniem komory, w której się znajduje. Proponowane w tym celu rozwiązania mogą jednak negatywnie odbijać się na stabilności plazmy. Zespół koreańskich naukowców postanowił więc istotnie zmniejszyć jej gęstość, co pozwala na zwiększenie temperatury w jej centrum, a obniżenie na obrzeżach. Osiągnięcia poczynione w ramach projektu KSTAR mają znaczenie dla rozwoju ITER.

Fuzja jądrowa i tokamaki – miliardowe inwestycje

Wszystko to brzmi spektakularnie, ale nie miejmy złudzeń, to dopiero kroczki na długiej drodze do sukcesu. Od momentu, gdy tokamaki będą służyć nam do pozyskiwania energii, dzieli nas jeszcze wiele lat. Według niektórych prognoz trzy, cztery dekady. Okiełznanie gwiezdnej energii to obecnie jedno z najdroższych wyzwań nauki. Koszt tylko wspomnianego ITER to ok. 22 mld euro. Dla porównania: do uruchomienia nowoczesnej elektrowni jądrowej potrzeba kilku miliardów. Wyobraźmy więc sobie, jak trudno zainteresować prywatnych inwestorów rozwojem kontrolowanej fuzji jądrowej na cele produkcji energii. Na pytania o to, kiedy może być możliwa i kiedy zwrócą się włożone w nią pieniądze i zacznie przynosić realne zyski, jest obecnie tylko jedna odpowiedź: „nie wiadomo”. Co więcej, projekty takie jak ITER czy KSTAR mają jedynie naukowy charakter. Ich celem jest rozwój technologii i optymalizacja warunków procesu zachodzenia reakcji fuzji w tokamaku. To dopiero na bazie doświadczeń z takich projektów będzie mogła rozwijać się komercyjna energetyka termojądrowa.

Brian Cox, astronom i popularyzator nauki, policzył, że na rozwój fuzji jądrowej w USA wydawano jeszcze niedawno mniej pieniędzy publicznych, niż wynosiły ogólne wydatki przeznaczane na zabiegi kosmetyczne... psów i kotów. Potencjał fuzji nuklearnej spotyka się jednak z rosnącym zrozumieniem decydentów. W lutym 2021 r. Rada Unii Europejskiej zatwierdziła kolejne 5,61 mld euro na rozwój projektu ITER do 2027 r. Coraz częściej inwestycje w energetykę termojądrową czynią tacy giganci jak Google czy Chevron. W lutym 2022 r. obie korporacje przeznaczyły 250 mln dol. na rozwój TAE Technologies, amerykańskiego start-upu rozwijającego technologię fuzji aneutronowej, w której nie więcej niż 1 proc. całkowitej uwolnionej energii unoszone jest przez neutrony. W przypadku fuzji termojądrowej z udziałem deuteru i trytu jest to ok. 80 proc.

Fuzja jądrowa to obecnie największa nadzieja na znalezienie źródła energii, które byłoby czyste, bezpieczne, a zarazem w zasadzie niewyczerpane. To szansa, by uwolnić się od problemów związanych z emisją gazów cieplarnianych. Rzecz w tym, że kiedy ludzkość będzie wreszcie w stanie z niej korzystać, zmiany klimatyczne będą już zbyt zaawansowane. Nie zmienia to faktu, że musimy dalej inwestować w fuzję i trzymać za nią kciuki. Lepiej ją bowiem mieć kiedykolwiek, niż nie mieć jej wcale.