Oto np. w marcu bieżącego roku Massachusetts Institute of Technology (MIT) podpisał wartą miliony dolarów umowę na współpracę w dziedzinie rozwoju energii fuzyjnej. Jej celem jest stworzenie w ciągu najbliższych piętnastu lat prototypowego, ale użytecznego, reaktora fuzyjnego. Na amerykańskiej uczelni utworzono spółkę Commonwealth Fusion Systems (CFS), która otrzymała 50 mln dolarów od włoskiego koncernu energetycznego Eni. Jeśli inwestuje firma energetyczna, to chyba należałoby rozumieć, że chodzi o projekt, który zapewni realne i praktyczne efekty?

W sensie technicznym przedsięwzięcie ma opierać się na dokonanych w ostatnim czasie postępach w dziedzinie nadprzewodzących magnesów i powinien skutkować stworzeniem tańszego, prostszego i mniejszego reaktora niż powstający w bólach w Europie Zachodniej niezwykle kosztowny ITER oraz inne duże projekty, oparte głównie na zasadzie działania tokamaków.

Plan MIT jest taki: w ciągu ok. trzech lat stworzyć z dostępnych na rynku nadprzewodników odpowiednio potężny i efektywny magnes, po czym na przestrzeni dekady zbudować reaktor, który wygeneruje więcej energii, niż zużyje, a następnie wznieść elektrownię o mocy 200 MW, która dostarczy energii elektrycznej do sieci.

CFS to nie jedyna organizacja obiecująca przyspieszenie rozwoju techniki uzyskiwania energii z syntezy. Jednak podejście do tego problemu w serii najnowszych projektów jest nieco inne niż to obowiązujące przez dekady. Różnica polega przede wszystkim na skali.

Plac budowy reaktora ITER

Małe jest… obiecujące

Niemal równocześnie z doniesieniami na temat projektu MIT media podały informację o tym, że w laboratorium na Uniwersytecie Stanowym w Kolorado naukowcy zademonstrowali syntezę jądrową w mikroskali. Wykorzystali kompaktowy laser do podgrzewania matrycy, wykonanej z nanoprzewodów, z materiału zwanego polietylenem deuterowanym. Jest on podobny do powszechnie stosowanego tworzywa polietylenowego, ale atomy wodoru są zastępowane przez deuter, cięższy izotop tego pierwiastka. Przeprowadzone eksperymenty zostały szczegółowo opisane w artykule opublikowanym w "Nature Communications". Kieruje nimi Jorge Rocca, uniwersytecki profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz fizyki.

Zespół studentów, badaczy i współpracowników tego wybitnego naukowca pracuje przy użyciu ultraszybkiego, wysokowydajnego lasera "biurkowego", zbudowanego przez nich samych od podstaw. Członkowie grupy używają go do napromieniowania celu, co tworzy niezwykle gorącą, gęstą plazmę – o parametrach zbliżonych do tych występujących wewnątrz Słońca.

W plazmie zachodzą reakcje syntezy, tworzą się hel i wysokoenergetyczne neutrony. Natężenie ich powstawania jest wskaźnikiem wydajności reakcji. Badaczom udało się wytworzyć rekordową liczbę neutronów na jednostkę energii lasera – ok. 500 razy wyższą niż w innych podobnych eksperymentach.

Tajemnicze doniesienia kontrahentów wojskowych

Pod koniec 2014 r. agencja Reuters podała informację o opracowaniu przez specjalistów pracujących dla znanej z militarnych projektów amerykańskiej firmy Lockheed Martin "kompaktowego" reaktora fuzji termojądrowej. Inżynierowie i naukowcy z legendarnego ośrodka Skunk Works, działający na rzecz projektu od czterech lat, podawali, że w ciągu najbliższych lat pięciu mogą zbudować reaktor o mocy 100 MW, który zmieści się na ciężarówce. Wykorzystywać miałby paliwo deuterowo-trytowe, czyli koncepcja nie odbiega zasadniczo od rozwiązań, nad którymi pracują naukowcy w wielu ośrodkach eksperymentalnych na świecie. Owe pięć lat mija pod koniec roku 2019...

Mniej więcej w podobnym czasie, kilka lat temu, firma Boeing opatentowała w USA silnik z napędem termojądrowym. Informacja ta wzbudziła spore zainteresowanie i jednocześnie mnóstwo wątpliwości, gdyż energia kontrolowanej fuzji termojądrowej oficjalnie nie została jeszcze opanowana. Eksperci pytają, czy powstał w ogóle jakikolwiek prototyp tego urządzenia, bo zaprezentowano jedynie ogólny schemat, z którego wiadomo, że chodzi o wykorzystanie laserów do rozpalania paliwa termojądrowego.

Autorzy z Boeinga - Robert Budica, James Herzberg i Frank Chandler – opisywali swój projekt jako przeznaczony dla samolotów, ale również do rakiet, pocisków a nawet statków kosmicznych. Koncepcja polega na rozgrzewaniu laserami wielkiej mocy izotopów, takich jak deuter i tryt. Zachodzą wówczas reakcje syntezy, a jej produkty uboczne - wodór i hel - pod ogromnym ciśnieniem wyrzucane są z dyszy, dając ciąg silnikowi.

To nie koniec. Powstałe w reakcjach termonuklearnych neutrony uderzać mają w powłokę komory silnika pokrytą radioaktywnym uranem ²³⁸U. Wytwarza to ogromne ilości energii cieplnej, które mają być przekazywane do czynnika chłodzącego w wymienniku znajdującym się przy uranowej powłoce. Energia czynnika napędza turbinę, a ta generator energii elektrycznej, która z kolei służy do zasilania laserów. Taki układ ma wydatnie zwiększyć sprawność silnika.

Inne podejścia

Naśladująca procesy zachodzące w gwiazdach fuzja jądrowa, czyli proces łączenia lżejszych jąder w cięższe, jest teoretycznie niezwykle wydajną metodą produkcji energii. Jednak wewnątrz reaktorów termojądrowych powstają ekstremalnie wysokie ciśnienie oraz temperatury rzędu nawet 100 mln stopni Celsjusza. Podtrzymanie takiego procesu przy dzisiejszych możliwościach technologicznych staje się niezwykle trudne. Głównym nurtem badań jest więc próba opanowania i przedłużenia trwania plazmy za pomocą silnych pół elektromagnetycznych. Uczeni z Australii proponują alternatywną, wobec znanych i stosowanych, metodę, którą potwierdzono w symulacjach.

„Z punktu widzenia inżynierii nasze podejście będzie o wiele prostsze, a ponieważ paliwa i odpady są bezpieczne, więc reaktor nie będzie potrzebował wymiennika ciepła i generatora z turbinami parowymi, zaś niezbędne lasery można kupić na rynku”, pisze w publikacji prof. Hora. Wodorowo-borowa reakcja fuzji H-11B jest aneutroniczna, czyli nie wymaga działania neutronów, ani ich wytwarzania. Żadne z wejść reaktora nie jest radioaktywne. Produktem "odpadowym" staje się nieszkodliwy hel. Zarówno produkty wejściowe, jak i wyjściowe są nietoksyczne. Zdaniem prof. Heinricha Hory, "reakcja 12 mg paliwa boru może wytworzyć ponad 1 GJ energii".

Obok uniwersyteckich ośrodków w trwającym ostatnio swoistym boomie start-upów termojądrowych pojawiają się też przedsięwzięcia o całkiem nowym obliczu i pomysłach. General Fusion, firma stworzona przez założyciela Amazona, Jeffa Bezosa, chce zbudować duży reaktor sferyczny, w którym plazma wodorowa byłaby otoczona ciekłym metalem i sprężana tłokami, co prowadziłoby do inicjacji fuzji. Energia wytworzona w jej wyniku podgrzewałaby ciekły metal, co potem - już tradycyjnie - wywoływać miałoby parę i napędzać generatory, wytwarzając ogromne ilości energii elektrycznej.

Jest to koncepcja, która niewiele ma wspólnego z dotychczasowymi eksperymentami. Trudno nawet ocenić jej wykonalność.

Zamiast tokamaka - stellarator

W 1994 r. reaktor syntezy jądrowej w Princeton ustanowił rekord mocy szczytowej – 10,7 MW, co według "The New York Times" pozwalałoby teoretycznie na chwilowe zasilenie od 2 do 3 tys. domów – przez około... mikrosekundę. Trzeba przyznać, że charakterystyczne, pełne przesady doniesienia medialne, które towarzyszyły potem wielu „przełomom”, pojawiały się trochę pod wpływem samych naukowców, którzy, obiecując nieco za dużo, starali się o finansowanie dla swoich badań. Z czasem opinia publiczna i politycy przestali na to reagować pozytywnie.

Porównanie tokamaka i stellaratora

Najbardziej znanym projektem w dziedzinie fuzji jądrowej jest wspomniany już międzynarodowy ITER. W ramach tego przedsięwzięcia, finansowanego przez UE, Japonię, Rosję, USA, Chiny, Indie i Koreę Południową, ma powstać eksperymentalny reaktor. Pierwszy zapłon jest planowany na rok 2025. Reakcja ma trwać 1 tys. sekund, a reaktor powinien osiągnąć moc 500-1100 MW. ITER nie będzie dostarczał prądu do sieci, ma służyć wyłącznie celom badawczym. Koszt całego projektu już w tej chwili sięga kilkunastu miliardów dolarów.

Obok tokamaka, opartego na toroidalnym kształcie komory plazmowej, drugi nurt w projektowaniu reaktorów syntezy w dużej skali stanowi bardziej złożony kształt, zwany stellaratorem. Najbardziej znanym przykładem takiej konstrukcji jest Wendelstein 7-X, zbudowany w Niemczech. Zakrzywienia w komorze plazmy powodują jej skręcenie, dzięki czemu plazma ma bardziej stabilny kształt i może być utrzymywana przez dłuższy czas niż w tokamaku. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, do ok. 2040 r. niemieckie urządzenie mogłoby już produkować użytkową ilość energii elektrycznej.