Synteza termojądrowa tak bliska i tak odległa
W budzącej kontrowersje zapowiedzi Lockheed Martin mowa o urządzeniu o rozmiarach 2 na 3 m i mocy 100 MW – wystarczyłoby to do zasilenia małego miasteczka. Prototyp urządzenia ma być gotowy za trzy lata, a w 2024 r. firma chce go już sprzedawać.
Specjaliści z legendarnego ośrodka Skunk Works, pracujący nad projektem od czterech lat, podają, że w ciągu najbliższych pięciu lat mogą zbudować reaktor o mocy stu megawatów, który zmieści się na ciężarówce. Wykorzystywać ma paliwo deuterowo-trytowe, czyli koncepcja nie odbiega zasadniczo od rozwiązań, nad którymi od lat pracują naukowcy w wielu ośrodkach eksperymentalnych na świecie.
Niestety, w doniesieniach medialnych zbyt wielu danych o szczegółach technologicznych nie ma. Trudno więc stwierdzić, na czym polegać ma przełom w trwających od dekad poszukiwaniach sposobu przeprowadzenia kontrolowanej syntezy termojądrowej. Większość wypowiadających się w mediach fizyków jest wobec tej informacji bardzo sceptyczna.
Oczywiście od wielu lat potrafimy przeprowadzać kontrolowane reakcje termojądrowe w reaktorach, ale na razie bilans energetyczny jest ujemny, jeśli nawet lokalnie wychodzimy na plus. A chcąc mieć sprawnie działającą elektrownię termojądrową, musimy wykazywać dodatni bilans energetyczny.
Bilans dodatni, ale ujemny
Badacze z kalifornijskiego Lawrence Livermore National Laboratory poinformowali na początku 2014 r., że podczas próby fuzji termojądrowej po raz pierwszy udało im się wytworzyć więcej energii z reakcji niż wynosił wkład w zasilanie paliwa.
Nie oznacza to wprawdzie, że zaczniemy teraz budować elektrownie termojądrowe – reaktor jako całość wciąż zużywa więcej energii niż wytwarza. Jednak z pewnością był to ważny przełom, o którym doniosło czasopismo „Nature”, a za nim wiele mediów światowych.
Drobina paliwa składającego się z izotopów wodoru, deuteru i trytu wytworzyła dokładnie 17 tys. dżuli energii. To więcej niż pobrała, ale – co niestety znacznie pogarsza bilans – do paliwa trafił zaledwie jeden procent całej zużywanej w eksperymencie energii.
Przecieki o przełomowych wynikach uzyskanych w urządzeniu National Ignition Facility (NIF), pracującym w kalifornijskim laboratorium, pojawiły się już we wrześniu 2013 r. w serwisie BBC. W laboratorium pracuje laser o mocy 350 trylionów watów.
Jego zadaniem jest rozpalenie izotopów wodoru do temperatury reakcji termojądrowej. Superlaser jest tak naprawdę wiązką 192 promieni laserowych, przyspieszanych w akceleratorach. Ich energię konwertuje się w silne impulsy promieniowania rentgenowskiego, które powodują implozję „piguły” z paliwem, inicjując reakcje syntezy termojądrowej (1).
NIF, uznawany obecnie za jedno z tych miejsc, w których istnieją największe szanse na kontrolowane rozpalenie Słońca na Ziemi, działa od 2009 r. Kongres USA wyznaczył termin przeprowadzenia tam efektywnej fuzji do 2012 r. Nie udało się. W 2013 r. zmieniono konfigurację systemu, tak aby energia była dostarczana paliwowej „pigule” w szybszym tempie.
Dało to efekty – bilans poprawił się nieomal natychmiast. W jednym z eksperymentów na 10 kilodżuli energii dostarczonej uzyskano 15 kilodżuli z reakcji w paliwie. Jednak łączne zużycie energii przez reaktor wyniosło prawie 2 megadżule. Część z tej energii uszła w stratach, np. podczas konwersji wiązki laserowej na impulsy rentgenowskie.
Tak czy inaczej „zysku” energetycznego nie ma, bo reakcja wyemitowała mniej niż 1 proc. wartości energii włożonej do układu eksperymentalnego. Jednak naukowcy związani z NIF i tak są zadowoleni z wyników. M.in. dlatego, że podczas prób okazało się, iż w paliwie powstają jądra helu, które prowadzą do dalszej samorzutnej syntezy termojądrowej.
Tokamaki i stellaratory
Lasery to nie jedyna metoda rozpalenia kontrolowanej fuzji. Budowany obecnie (2) we francuskim Cadarache reaktor ITER (The International Thermonuclear Experimental Reactor) działać ma za pomocą łapania reagujących izotopów wodoru w pułapkę. Nie jest to nowa technika – radzieckie tokamaki oraz stellaratory próbują wykorzystać ten pomysł od połowy lat 50. XX wieku.
Służą one do utrzymania paliwa deuterowo-trytowego w postaci plazmy grzanej intensywnymi mikrofalami i wiązkami atomów. Pierwszy zapłon reaktora ITER przewidywany jest na rok 2019. Według projektów ITER ma każdorazowo podtrzymywać reakcję fuzyjną przez ok. 1000 sekund, osiągając moc 500-1100 MW. W reaktorze planowane jest przeprowadzenie eksperymentów fuzji w plazmie deuterowo-trytowej.
Czas trwania pojedynczego eksperymentu (impulsu reakcji) będzie wynosił ok. 15 minut, a współczynnik wzmocnienia cieplnego reaktora (tj. stosunek ilości ciepła wytworzonego w reakcji fuzji do ilości energii zużytej na zagrzanie plazmy do temperatury 100 mln°C) będzie równy ok. 10.
Pierwsza reakcja fuzji ma być zaobserwowana w roku 2020. Tokamak ITER nie będzie jeszcze prototypową elektrownią, gdyż jego konstrukcja nie przewiduje odbioru ciepła reakcji fuzji, stąd ograniczenie czasu impulsów plazmy do wspomnianych ok. 15 minut, po którym musi nastąpić wychłodzenie ścian reaktora.
Opłacalność i upowszechnienie zastosowanych tam rozwiązań to jednak perspektywa kilkudziesięciu lat. W budowie reaktora termojądrowego ITER biorą udział Unia Europejska, Chiny, Indie, Rosja, Stany Zjednoczone, Japonia i Korea Południowa, które w roku 2007 powołały organizację międzynarodową ITER.
Przewiduje się, że całkowity budżet projektu przekroczy 20 mld euro, a kraje biorące udział w budowie reaktora rozwiną i posiądą technologie, które pozwolą im następnie skonstruować prototypową elektrownię termojądrową, tzw. DEMO. Nie jest jednak realne, aby elektrownia termojądrowa DEMO powstała przed rokiem 2040.
Naukowcy z Uniwersytetu Stanu Waszyngton w USA nie chcą czekać aż tak długo. Zaproponowali więc nową, tańszą metodę opanowania fuzji termojądrowej. Kwestią kluczową jest utrzymanie w środku reaktora plazmy 10-krotnie gorętszej od Słońca.
To w niej mają dokonywać się reakcje: jądra izotopów wodoru (deuteru i trytu) łączą się, aby stworzyć jądro helu i niosący dużą energię neutron. Biorąc pod uwagę masę, proces ten jest trzy razy bardziej efektywny niż rozszczepianie uranu w klasycznych elektrowniach jądrowych.
Aby uchwycić plazmę w środku tokamaku konieczne jest niezwykle silne pole magnetyczne. W ITER mają tego dokonywać nadprzewodzące cewki magnetyczne oplatające reaktor. To powoduje, że całe urządzenie jest wyjątkowo duże, a jednocześnie bardzo drogie.
Próbując zlikwidować tę słabość, naukowcy z Waszyngtonu zaproponowali zbudowanie tzw. sferomaku. Amerykanie chcą wykorzystać fakt, że do tworzenia samej plazmy używa się ogromnej ilości energii elektrycznej i to właśnie z prądu uwięzionego w tej plazmie chcą tworzyć pole magnetyczne, które utrzyma ją ściśniętą w jednym miejscu.
Ich reaktor będzie przede wszystkim znacznie mniejszy, a przez to ma kosztować jedną dziesiątą tego, co ITER. Amerykanie zapewniają, że ich elektrownia termojądrowa o mocy 1 GW ma kosztować ok. 2,7 mld dolarów, czyli tylko 100 mln dolarów więcej niż elektrownia węglowa.
A przy tym to czyste, ekologiczne źródło prądu, które nie niesie za sobą tyle ryzyka ile elektrownia atomowa – w razie czego reaktor się wyłącza, temperatura spada i całość wraca do stanu sprzed uruchomienia. Stellarator (3) to reaktor podobny do tokamaka i mający równie długą historię.
Wymyślił go w roku 1950 amerykański fizyk Lyman Spitzer. Jednak skonstruowanie takiej instalacji okazało się bardzo trudne. Komora, w której stellarator wytwarza plazmę, ma skomplikowany kształt. Fizycy porównują ją do tzw. wstęgi Möbiusa. W klasycznej postaci to taśma, np. z papieru, którą sklejamy w kółko „końcami na odwrót”, czyli najpierw skręcając ją o 180 stopni.
Dziś największy na świecie stellarator to Wendelstein 7-X (W7-X). Powstał w Greifswaldzie – niewielkim mieście w północnych Niemczech (niecałe 60 km od granicy z Polską), gdzie znajduje się Instytut Fizyki Plazmy Maxa Plancka. To głównie niemiecka inwestycja warta 2 mld euro, ale spory udział mają w niej Polacy.
Pod koniec maja odbyła się uroczysta prezentacja Wendelsteina, za rok powinien zostać uruchomiony. Jeśli zadziała, stanie się sensacją naukową klasy światowej. Warto przypomnieć, że od dawna już funkcjonuje Joint European Torus (JET) – największy tokamak na świecie.
Znajduje się w Wielkiej Brytanii w pobliżu miasta Culham. Budowę prowadziły wspólnie kraje europejskie – rozpoczęła się w 1978 r., a pierwsze eksperymenty odbyły się w 1983 r. Badania prowadzone z użyciem JET (4) koordynuje organizacja European Fusion Development Agreement.
Reaktor jest przystosowany do reakcji syntezy termojądrowej z wykorzystaniem deuteru i trytu. JET osiągnął rekordową moc syntezy termojądrowej – 16 MW. Obecnie prowadzone z jego użyciem eksperymenty mają posłużyć głównie do projektowania reaktora ITER.
Uwięzić plazmę
W reaktorach termojądrowych do produkcji energii mają być wykorzystywane następujące reakcje syntezy termojądrowej: D+T4He+n+17.6MeV; n+6Li4He+T+4.8MeV oraz n+7Li4He+T+n+2.47MeV (5). Rozważa się też inne reakcje wykorzystujące „księżycowy” izotop helu ³He oraz izotop berylu – ¹¹B.
Jednak ze względu na dostępność paliwa najbardziej obiecujące są reakcje D i T (6). Uzyskanie deuteru np. z wody morskiej nie stanowi żadnego problemu technicznego i zapewnia praktycznie nieograniczone ilości tego paliwa (na 1 m³ wody morskiej przypada 33 g deuteru).
Trytu na Ziemi jest bardzo mało, ale można go uzyskać, bombardując jądra litu neutronami, które powstają podczas fuzji deuteru i trytu. Lit jest dosyć powszechny na Ziemi. Jest go dużo w skorupie ziemskiej i jego wydobycie pozostaje stosunkowo łatwe.
Aby jądra mogły pokonać barierę odpychania elektrostatycznego i zbliżyć się na odległość działania sił jądrowych krótkiego zasięgu, prowadzących bezpośrednio do łączenia się jąder – konieczne jest wytworzenie bardzo wysokich temperatur. Energie kinetyczne jąder niezbędne do zapoczątkowania reakcji syntezy odpowiadają temperaturze: 4.5·107K dla reakcji D+T lub 4·108K dla reakcji D+D.
W takich wysokich temperaturach każda substancja jest w stanie całkowitej jonizacji, czyli składa się wyłącznie z naładowanych jąder oraz elektronów znajdujących się w szybkim, bezładnym ruchu. Taki stan nazywamy plazmą. Jest on też zwany czwartym stanem skupienia materii obok stałego, ciekłego i gazowego (obecnie potrafimy wytworzyć więcej stanów skupienia materii).
I to właśnie plazma jest najbardziej rozpowszechnionym stanem występowania materii we Wszechświecie (ponad 99,9 procent). Aby w tak wysokich temperaturach ciśnienie plazmy nie było zbyt wysokie, jej gęstość powinna być w przybliżeniu równa 10-4 gęstości atmosfery (1015 cząstek w 1 cm3).
W wysokiej temperaturze plazma silnie promieniuje, wskutek czego traci swą energię. Jednym z najważniejszych warunków zrealizowania reakcji termojądrowej jest utrzymanie gorącej plazmy w ograniczonej objętości dopóty, dopóki znaczna część jąder nie weźmie udziału w reakcjach syntezy.
Plazmę należy od ścianek odizolować, gdyż cząstki padające na ścianki tracą swą energię i plazma ulega ochłodzeniu. Rozwiązanie tego problemu polega na działaniu na cząstki naładowane odpowiednim polem magnetycznym (7). Jednakże nawet najlepsze pułapki magnetyczne utrzymują cząstki tylko w ciągu pewnego skończonego czasu.
Pułapka magnetyczna to nie jedyny znany sposób uwięzienia plazmy. W gwiazdach jest ona w pułapce grawitacyjnej. Można ją też więzić za pomocą technik inercyjnych, jak w bombach termojądrowych lub elektrostatycznie. Z tym parametrem związane jest tzw. kryterium Lawsona.
Wyraża ono warunki, przy których zachodzi zapłon plazmy, czyli podaje, kiedy ciepło wydzielające się z reakcji fuzji wystarcza, aby utrzymać stałą temperaturę plazmy bez dostarczania energii z zewnątrz. Dotychczas żaden reaktor termojądrowy (przynajmniej taki, o którym wiemy), nie spełnił kryterium Lawsona. Innym problemem, który będzie trzeba rozwiązać, jest sposób odebrania i przetworzenia wydzielającej się w reaktorze termojądrowym energii, tak aby mogła ona zasilić np. zakłady przemysłowe czy duże osiedla.
Moc zalet – od połowy stulecia?
Dotychczas zbudowano wiele typów urządzeń, w których mają zachodzić reakcje termojądrowe. Testowano w nich różne metody zainicjowania reakcji fuzji. Dzisiaj uważa się, że najbardziej obiecujące są wspomniane reaktory ITER i JET oraz przyszły DEMO. Naukowcy oficjalnie przyjmują, że do 2050 r. na świecie będą pracować reaktory termojądrowe z dodatnim bilansem energetycznym i z możliwością praktycznego wykorzystywania energii przez nie produkowanej.
Teoretycznie reaktory termojądrowe mają wiele zalet. Paliwo w nich wykorzystywane występuje na Ziemi praktycznie w nieograniczonych ilościach. Reakcje termojądrowe nie powodują powstawania gazów cieplarnianych, nie stanowią więc zagrożenia klimatycznego, jak ma to miejsce podczas spalania paliw kopalnych.
Reakcje termojądrowe wytwarzają bardzo dużo energii, można więc je stosować w elektrowniach dużych mocy. Brak też prawie promieniotwórczych produktów reakcji. Nie ma potrzeby transportowania radioaktywnych materiałów na teren elektrowni termojądrowej, ponieważ radioaktywny tryt jest produkowany i wykorzystywany do reakcji fuzji wewnątrz reaktora.
Reakcje fuzji nie mogą wymknąć się spod kontroli, jak to miało miejsce w przypadku reakcji rozszczepienia w Czarnobylu. Zastosowanie fuzji na masową skalę pozwoliłoby uzyskiwać energię całkowicie bez zanieczyszczania środowiska. Według ekspertów wymaga to jednak jeszcze dużego postępu w pewnych dziedzinach (jak np. wyprodukowanie odpowiednich materiałów do konstrukcji tokamaka), aby ludzkość mogła zacząć wprowadzać tę technologię na masową skalę jeszcze w pierwszej połowie XXI wieku.
Ostatecznie dałoby to możliwość całkowitej rezygnacji z elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi, a w połączeniu z innymi technologiami (jak ogniwa paliwowe)– umożliwiłoby likwidację zapotrzebowania na ich wydobycie. Dążenie do tego celu jest wskazane, niezależnie od tego czy wymaga to 30, 50 czy 100 lat badań. Obfitość paliwa do takich elektrowni uniezależniłaby ludzkość od ograniczeń, którym podlegają wszelkie nieodnawialne źródła energii.
